MAURÍCIO ANDRÉ KUNZ
USO DE REALIDADE AUMENTADA PARA AUXILIAR O ENSINO DE GEOMETRIA NA DISCIPLINA DE COMPUTAÇÃO GRÁFICA NA UFFS
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requi-sito para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação da Universidade Federal da Fronteira Sul. Orientador: Prof. Dr. Fernando Bevilacqua
CHAPECÓ 2019
KUNZ, MAURÍCIO ANDRÉ
Uso de Realidade Aumentada para auxiliar o ensino de Geometria na disciplina de Computação Gráfica na UFFS / MAURÍCIO ANDRÉ KUNZ. – 2019.
48 f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Fernando Bevilacqua.
Trabalho de conclusão de curso (graduação) – Universidade Federal da Fronteira Sul, curso de Ciência da Computação, Chapecó, SC, 2019. 1. Realidade Aumentada. 2. Computação Gráfica. 3. Matemática. I. Bevilacqua, Prof. Dr. Fernando, orientador. II. Universidade Federal da Fronteira Sul. III. Título.
© 2019
Todos os direitos autorais reservados a MAURÍCIO ANDRÉ KUNZ. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita mediante a citação da fonte.
RESUMO
A associação dos conceitos matemáticos com a realidade é um desafio para a maioria dos estudantes. A tecnologia atual fornece ferramentas para criar opções que aproximam essa per-cepção. À vista disso, essa pesquisa mostra o potencial que a Realidade Aumentada tem quando associada a Teoria da Carga Cognitiva e a Visualização, na elaboração de uma ferramenta que auxilie os estudantes na concepção e aprendizado de conceitos matemáticos que são utilizados na disciplina de Computação Gráfica na UFFS. São apresentados os referenciais teóricos em-pregados nessa pesquisa, bem como o processo de criação do protótipo de uma aplicação de Realidade Aumentada contendo demonstrações sobre vetores em uma aula de Computação Grá-fica. A pesquisa demonstra a importância da Realidade Aumentada como auxílio nos processos práticos pedagógicos, através da avaliação das respostas e opiniões coletadas na fase de testes e validação do protótipo desenvolvido.
ABSTRACT
The association of mathematical concepts with reality is a challenge for most students. Current technology provides tools for creating options that bring this perception closer. In view of this, this research shows the potential that Augmented Reality has when associated with Cognitive Load Theory and Visualization, in the elaboration of a tool that assists students in the conception and learning of mathematical concepts that are used in the discipline of Computer Graphics in UFFS. The theoretical references used in this research are presented, as well as the process of prototype creation of an Augmented Reality application containing demonstrations about vectors in a Computer Graphics class. The research demonstrates the importance of Augmented Reality as an aid in the practical pedagogical processes, by evaluating the responses and opinions collected in the testing and validation phase of the developed prototype.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Tradução do "Virtuality Continuum"(12) . . . 18
Figura 2 – Os três níveis de interações do Magic Book . . . 24
Figura 3 – Questionário do Livro GeoAr . . . 24
Figura 4 – Aplicação EduPark, jovens utilizando no parque e marcadores . . . 25
Figura 5 – Protótipo do sistema solar usando Realidade Virtual . . . 26
Figura 6 – Usuários verificando mudanças climáticas na Magic Window . . . 27
Figura 7 – Exemplo de utilização da Realidade Aumentada . . . 30
Figura 8 – Leitura do QR Code e abertura da ferramenta . . . 31
Figura 9 – Protótipo mostrando os objetos de visualização da soma de vetores . . . 32
Figura 10 – Protótipo mostrando os objetos de visualização da subtração de vetores . . 32
Figura 11 – Alunos observando os objetos de visualização das operações . . . 34
Figura 12 – Gráfico do conhecimento prévio dos alunos sobre vetores . . . 35
Figura 13 – Gráfico da facilidade de uso da ferramenta . . . 35
Figura 14 – Gráfico do entendimento dos objetos e operações . . . 36
Figura 15 – Gráfico da potencialização no entendimento das operações . . . 36
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO . . . . 13 1.1 APRESENTAÇÃO . . . 13 1.2 PROBLEMÁTICA . . . 13 1.3 OBJETIVO . . . 14 1.3.1 Objetivo Geral . . . . 14 1.3.2 Objetivos Específicos . . . . 15 1.4 JUSTIFICATIVA . . . 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . 17 2.1 REALIDADE VIRTUAL . . . 17 2.2 REALIDADE AUMENTADA . . . 18
2.3 REALIDADE AUMENTADA NA EDUCAÇÃO . . . 18
2.4 A TEORIA DA CARGA COGNITIVA . . . 19
2.4.1 Carga Cognitiva Intrínseca e a Carga Cognitiva Relevante . . . . 21
2.5 A VISUALIZAÇÃO NO ENSINO MATEMÁTICO . . . 22
2.6 TRABALHOS RELACIONADOS . . . 23 2.6.1 Magic Book . . . . 23 2.6.2 GeoAR . . . . 23 2.6.3 EduPark . . . . 25 2.6.4 Wonderland . . . . 26 2.6.5 Museum Alliance . . . . 26 3 IMPLEMENTAÇÃO . . . . 29
3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIPOS DE REALIDADE AUMENTADA . . . 29
3.2 ESTUDO DAS BIBLIOTECAS DE REALIDADE AUMENTADA . . . 29
3.3 DESENVOLVIMENTO DA APLICAÇÃO . . . 30
3.4 TESTE DA PLATAFORMA . . . 33
4 CONSIDERAÇÕES . . . . 39
4.1 TRABALHOS FUTUROS . . . 40
REFERÊNCIAS . . . . 41
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO DE VALIDAÇÃO . . . . 43
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1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
A Realidade Virtual e a Realidade Aumentada destacam-se cada dia mais pelo avanço da tecnologia. Isso se dá pelo fato de serem tecnologias que dependem de processamento em tempo real. Então quanto mais a tecnologia avança, tanto em hardware quanto em software, mais essas tecnologias podem ser exploradas.
Na Realidade Aumentada, além do computador, é necessário o uso de uma câmera como uma webcam. Essa visualiza o mundo real e sobrepõe com objetos virtuais, apresentando um mundo interativo na tela. Essa interação deve acontecer em tempo real, caso contrário, a experiência do usuário com a aplicação é prejudicada. Para que essa interação seja eficaz, os recursos do dispositivo que está rodando a aplicação devem ser analisados. Antigamente o poder de processamento concentrava-se em computadores de grande porte, o que dificultava o acesso a essas tecnologias e, por consequência, a utilização da Realidade Aumentada.
Hoje existem uma gama de recursos disponíveis nos smartphones, a maioria com um alto poder de processamento. Conta-se também com dispositivos de captura de imagem já integrados, além de sensores que auxiliam a detecção de movimentos e localização.
Grandi et al. (10) afirmam que os celulares e tablets atuais são dispositivos ideais e que cumprem os requisitos da Realidade Aumentada nos aplicativos da atualidade. Isso acontece porque são dispositivos que possuem sensores que capturam os toques, movimentos, as imagens e ainda é possível usar recursos de visão computacional para acelerar a detecção dos objetos no espaço.
França (8) discorre sobre a importância de fundamentar o processo de criação de aplica-ções pedagógicas fundamentadas sob a Teoria da Carga Cognitiva. A Teoria da Carga Cognitiva está diretamente ligada à cognição humana. Destaca-se que a adoção desses princípios resulta em ferramentas de aprendizagem eficientes que conduzem a uma aprendizagem significativa e competente.
O presente projeto tem como objetivo auxiliar alunos de Computação Gráfica, do curso de Ciência da Computação da Universidade Federal da Fronteira Sul a compreenderem o uso da Geometria que é aplicada na disciplina, através de uma aplicação de Realidade Aumentada, construída seguindo o que preconiza a Teoria da Carga Cognitiva.
1.2 PROBLEMÁTICA
Constata-se que um número significativo de estudantes de Ciências da Computação, ao ingressarem na disciplina de Computação Gráfica, apresentam dificuldades relacionadas a contextualização dos conteúdos matemáticos. Reitera-se que é de fundamental importância entender como ocorre a aplicação dos conceitos, como eles funcionam na prática, pois a
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disciplina de Computação Gráfica é constituída em sua maioria pela área visual. Isso pode ser observado não só em Computação Gráfica, mas em todas as outras disciplinas que utilizam matemática para aplicar seus conceitos. Quanto mais o estudante conseguir contextualizar e aplicar na prática os conceitos matemáticos utilizados, maior será seu aproveitamento dentro da disciplina.
A ausência da contextualização do conteúdo matemático em disciplinas do curso de Ciência da Computação pode ser observada sob alguns aspectos. O primeiro é que muitas vezes, o aluno deixa um intervalo de tempo significativamente grande entre a disciplina de matemática e as outras disciplinas do curso. Com isso, ao ingressar na disciplina, acaba não lembrando alguns conceitos. Outro fator, é a complexidade dos conceitos matemáticos. Não é raro estudantes afirmarem sobre a natureza complexa e abstrata do conhecimento matemático. Outro aspecto é o nível de dificuldade atribuído aos conceitos matemáticos, desenvolvendo ansiedade em relação aos conteúdos. Isso gera atitudes negativas, de descaso e medo, o que acaba prejudicando o aprendizado. Esse pensamento está ligado ao nível de abstração dos conceitos matemáticos. O que leva a outro fator: a dificuldade de associar os conceitos matemáticos com a realidade.
A matemática, em sua amplitude, é uma disciplina abstrata. Boyer; Pérez (5) afirmam que um conceito matemático é aprendido, quando ocorre uma passagem do entendimento à compreensão. Em resumo, além de entender e exibir um exemplo de onde o conceito se expressa, o estudante deve exibir não só um, mas vários exemplos e contra-exemplos. Saber onde esse conceito é aplicado, e onde ele não é aplicado é um processo custoso,s visto a limitação da visualização e representação gráfica e geométrica nos livros e materiais didáticos. O estudante muitas vezes, entende o conceito matemático, mas não vê a sua aplicação.
Na perspectiva do estudante, explorar recursos que permitam uma melhor visualização dos exemplos é fundamental. Já na perspectiva do professor, é trabalhoso buscar materiais significativamente sofisticados para que os alunos se engajem. Muitas vezes ainda é necessário mais que um desses recursos. Frente a isso, o presente trabalho foca em responder a seguinte pergunta: como a Realidade Aumentada em conjunto com a Teoria da Carga Cognitiva e a Visualização, podem ajudar o processo de ensino-aprendizagem dos conceitos matemáticos que são usados na disciplina de Computação Gráfica?
1.3 OBJETIVO
1.3.1 Objetivo Geral
Criar uma aplicação de Realidade Aumentada, que auxilie no entendimento de conceitos matemáticos que são usados na disciplina de Computação Gráfica pelos alunos do curso de Ciência da Computação da Universidade Federal da Fronteira Sul.
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1.3.2 Objetivos Específicos
• Classificar quais são as áreas da Realidade Aumentada mais usadas atualmente;
• Definir quais bibliotecas melhor se adaptam ao ensino de matemática no contexto de Computação Gráfica;
• Verificar empiricamente a viabilidade da utilização de Realidade Aumentada no ensino de matemática no contexto de Computação Gráfica;
1.4 JUSTIFICATIVA
Ao longo dos anos, a matemática tem sido associada a uma área temida e com elevado fracasso escolar. Isso se dá por conta das dificuldades enfrentadas pelos alunos na compreensão dos seus conceitos, como também pela forma como ela lhes é apresentada. Muitas têm sido as tentativas para melhorar este cenário, porém, a maioria delas tem embate na falta de recursos ou até mesmo de engajamento dos educandos. Neste sentido, a possibilidade de inserção da tecnologia vem sendo observada como a melhor forma de aproximar o aluno da realidade apresentada, bem como uma maneira de conquistar ou motivar o mesmo, quando da proposta de ensino e aprendizagem matemática.
Pode-se dizer que na ausência da tecnologia, seguidamente o professor fica limitado a utilizar os exemplos contidos nos livros. Por se limitar ao papel, a demonstração do exemplo muitas vezes é superficial. Com isso, estes exemplos não permitem demonstrar todas as infor-mações necessárias para a sua compreensão, sendo papel do professor trazer mais inforinfor-mações para que o aluno o compreenda. Por vezes, o exemplo do livro, além de trivial, exige várias demonstrações, o que acaba demandando tempo, o qual poderia ser aproveitado de uma melhor forma nas suas aulas.
Com um melhor aproveitamento das aulas, o estudante pode explorar a tecnologia como facilitador no aprendizado. De acordo com Bacca et al. (2), o uso da Realidade Aumentada aumenta a motivação dos alunos em desenvolver tarefas específicas, podendo assim, ser usada como uma forma de aumentar a motivação do aluno no processo de aprendizado. Ao prender a atenção do aluno com conteúdos mais interativos, ganha-se um aumento de produtividade e desempenho. O aluno assume uma postura ativa no ensino, se engajando com mais facilidade nas atividades propostas.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 REALIDADE VIRTUAL
Richard et al. (15) definem a realidade virtual como: "uma interface computacional avançada que envolve simulação em tempo real e interações, através de canais multisensoriais". O usuário visualiza o mundo virtual através das telas dos dispositivos. Ou pode ser inserido no mundo virtual através dos óculos de realidade virtual e até mesmo salas com dispositivos de multiprojeção e interação.
Segundo BOTEGA; CRUVINEL (4), a tecnologia começou a surgir em 1963 quando Ivan E. Sutherland desenvolveu o primeiro sistema gráfico interativo, que permitia a manipulação de figuras tridimensionais no monitor de um computador. Esse sistema interpretava desenhos como dados de entrada e realizava associações com topologias conhecidas, gerando novos desenhos.
De acordo com BOTEGA; CRUVINEL (4), o termo Realidade Virtual, surgiu nos meados dos anos 70, quando pesquisadores sentiram a necessidade de separar a definição das simulações computacionais tradicionais dos mundos digitais que começavam a ser criados na época.
Os mesmos autores consideram que os sistemas de realidade virtual diferem entre si de acordo com os níveis de imersão e interatividade que são proporcionados aos usuários. A realidade virtual vista através das telas dos dispositivos é denominada Realidade Aumentada, e pode ser definida pela sigla RA. Essa tecnologia busca mixar o mundo real com o virtual, preservando o senso de presença que o usuário tem com o mundo real. Portanto a RA é uma realidade virtual não imersiva. Existe também a realidade virtual totalmente imersiva, que utiliza os óculos de projeção para simular o ambiente virtual. Essa tecnologia é chamada de Realidade Virtual, e pode ser definida pela sigla RV. Portanto, a RV transporta o usuário totalmente para o mundo da aplicação, fazendo com que ele se sinta totalmente imerso no mundo virtual.
A Figura 1, mostra o que Milgram; Kishino (12) definem como "Virtuality Continuum", e refere-se a uma situação de exibição de conteúdo ao usuário, onde os ambientes reais são ilus-trados em uma extremidade do "continuum", e os ambientes virtuais na extremidade contrária. O ambiente à esquerda, se trata do mundo real de fato, o que a pessoa vê sem a necessidade de um dispositivo tecnológico. E à direita define ambientes constituídos apenas de objetos virtuais. Entre esses ambientes existe a Realidade Misturada. Portanto a RA, pode ser vista como um subconjunto da Realidade Misturada. Por ser uma tecnologia que busca misturar o mundo real com o mundo virtual, sua posição no "continuum"está mais a esquerda, localizada mais próxima do ambiente real. Ao contrário da RV que está localizada à direita, por se tratar de um ambiente virtual totalmente imersivo.
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geradas por computador em tempo real e devidamente posicionadas no espaço 3D, percebidas através de dispositivos tecnológicos.
Nesse contexto, destaca-se o quanto as tecnologias móveis estão mais presentes nas tarefas diárias dos usuários. Esses recursos podem ser aproveitados como uma forma alternativa de ensino e aprendizado, ao lado dos métodos tradicionais de ensino como livros, fotos, vídeos e de aulas expositivas. E nesse sentido, França (8) destaca que são ferramentas que os alunos podem manipular fora da escola, o que não ocorre com experimentos de laboratórios científicos que dependem de equipamentos e da presença do professor.
Costabile et al. (7) afirmam que uma aplicação de aprendizado (e-learning) é eficaz quando o aluno é capaz de priorizar o conteúdo do aprendizado, e não em como acessá-lo. Em outros termos, os conteúdos devem ser objetivos e auto-explicativos; para que o aluno tenha o foco no processo de aprendizagem utilizado e evitando o desperdício do tempo em compreender como a aplicação funciona.
De acordo com França (8) o uso dos recursos digitais no contexto educacional devem ser vistos como um meio e não como a finalidade principal. Que o conteúdo em estudo não pode ter sua importância diminuída pelo uso de um recurso computacional que elucida passagens fundamentais em qualquer área. Também ressalta que o saber e o aprender dos conteúdos continuarão com as cargas de responsabilidade entre os alunos e professores, e que não será o uso da Realidade Virtual ou a Realidade Aumentada que resolverá todas as dificuldades por si só. Não subjulgando assim, os processos de ensino-aprendizagem atuais.
2.4 A TEORIA DA CARGA COGNITIVA
Segundo Santos (16), a Teoria da Carga Cognitiva foi criada pelo psicólogo australiano John Sweller em 1988, e foi inspirada por artigos escritos pelo psicólogo americano George Miller considerado um dos criadores da Ciência Cognitiva Moderna.
De acordo com Sweller (18), a Teoria da Carga Cognitiva (TCC) é por definição um conjunto de princípios que aplicados a um material didático, podem ajudar a ter uma melhor utilização da capacidade de processamento da cognição humana.
Sweller (18) afirma que o ambiente de aprendizado que se encaixa na Teoria da Carga Cognitiva (TCC) é extensivo a todo tipo de material didático instrucional, indo dos livros aos mapas, e qualquer objeto didático que é usado há décadas, antes mesmo do advento da tecnologia da informação. Isso é validado, levando em conta que a Teoria da Carga Cognitiva foi criada nos anos 80, enquanto as tecnologias da informação como conhecemos atualmente ganhou força no final dos anos 90.
Essa teoria enfatiza a existência, na estrutura de cognição humana, de um canal duplo de processamento informacional, sendo eles verbal e não verbal.
Miller (13) relata que o sistema cognitivo humano utilizando um dos seus componentes conhecido como memória de trabalho ou de curto prazo, consegue processar um número limitado
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de informações, que varia entre cinco a nove elementos novos por vez. O autor denomina esses elementos de ’pedaços’, sem se importar com o tipo de conteúdo ou informação que cada ’pedaço’ agrega.
Santos (16) observou que a capacidade de processamento desses ’pedaços’, variavam de acordo com o seu conteúdo. Sendo conteúdo do tipo dígito ou informação numérica, a capacidade de processamento gira em torno de sete elementos. Em letras a capacidade de processamento cai para seis elementos, e em palavras a capacidade cai para cinco elementos. Esses dados deram origem a Lei de Miller, que sugere como sete mais ou menos dois a capacidade de processamento de informações, em uma única ação.
O menor índice de processamento de ’pedaços’ ou conteúdos é cinco e o maior índice é nove. Além disso, pela Lei de Miller se houver um excesso no patamar estabelecido, ocorre uma sobrecarga na estrutura cognitiva. Consequentemente um dos maiores objetivos dos educadores e todos os personagens que atuam ou estudam a aprendizagem humana, é gerenciar a carga cognitiva de forma eficiente para que não comprometa o entendimento e o aprendizado do conteúdo em estudo.
Entender os conceitos e pesquisas dos sistemas que envolvem e compõe a estrutura cognitiva humana, é imprescindível para o seu entendimento.
Santos (16) define a existência de três sistemas de memória, sendo elas:
• A memória sensorial, ou seja, o aprendizado relativo apresentado através dos nossos sen-tidos sensoriais (visão, audição, tato, paladar e olfato) que provocam reações e memórias extremamente rápidas, com duração de menos de um segundo. O armazenamento dessas reações são funções dos outros sistemas de memória.
• A memória de curta duração, ou também chamada de memória de trabalho. É considerada como parte central dos processos ativos do cérebro humano, mesmo tendo uma capacidade muito reduzida para informações novas. Isso porque todas as informações capturadas pela memória sensorial ou as memórias recuperadas da memória de longa duração, são processadas pela memória de trabalho. Sendo assim o centro de processamento cerebral, e o fato de ser uma memória de curta duração não diminui a sua importância para a cognição humana.
• E o terceiro sistema de memória é o de longa duração, podendo ser considerado um banco de dados de todos os conhecimentos adquiridos.
Sweller (18) relaciona o termo ’esquemas’, com as coleções de informações repassadas pela memória de trabalho e que foram apreendidas e armazenadas na memória de longo prazo. Maiores habilidades em uma área significam que o indivíduo tem maior número de informações dessa área presente na memória de longo prazo. O processo ocorre de diversas maneiras, sendo as animações e estímulos visuais os responsáveis pela produção da maior quantidade de esquemas; pois o cérebro humano é composto por uma quantidade muito grande de células
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neuronais que atuam no campo dos estímulos visuais. Essa vantagem característica do sentido de percepção visual, pode ser explorada com a utilização da Realidade Aumentada no ensino em sala de aula.
Sabe-se que a consolidação do aprendizado passa pela memória sensorial, mas a elabo-ração dos esquemas e a recupeelabo-ração das informações contidas na memória de longo prazo, só acontece com a efetivação da memória de trabalho ou de curto prazo.
É importante destacar também, que a sobrecarga cognitiva acontece quando os estímulos visuais e não visuais extrapolam a capacidade da memória de trabalho. Levando em consideração a Lei de Miller, já citada anteriormente, que preconiza que o cérebro humano pode processar entre cinco e nove elementos novos por vez, há de se considerar que a sobrecarga cognitiva precisa ser evitada e para tanto é preciso tomar uma série de medidas, sendo essas medidas as principais razões para conhecer e utilizar a Teoria da Carga Cognitiva nesse trabalho.
2.4.1 Carga Cognitiva Intrínseca e a Carga Cognitiva Relevante
Sweller (18) diferencia as dificuldades impostas na compreensão de um determinado conteúdo, o que chama de carga intrínseca e as dificuldades criadas pelo material ou o formato que é utilizado para apresentar o mesmo, neste caso a expressão utilizada pelo mesmo foi carga estranha.
Clark et al. (6), observou que ao utilizar materiais que incluem muitos elementos interativos, ocorre uma alta carga cognitiva intrínseca. Intrínseca porque não é determinada pela ação do professor, mas sim pelo conteúdo em si.
Quando uma carga cognitiva estranha, advinda do instrutor é adicionada a uma carga cognitiva intrínseca, com a alta interatividade dos elementos, os resultados são variados. Se tratando de uma carga cognitiva intrínseca baixa devido a baixa interatividade dos elementos, a interferência do instrutor não influencia nos resultados, pois a memória de trabalho não é sobrecarregada. Esse efeito é chamado por Clark et al. (6) de "efeito da interatividade do elemento", sendo que com uma baixa carga cognitiva intrínseca, a carga cognitiva estranha não importa.
Conforme Van Merrienboer; Sweller (20), a experiência humana vem do conhecimento armazenado nos ’esquemas’ cognitivos organizados e armazenados na memória de longo prazo, e não na capacidade de envolver-se em raciocínio com vários elementos que não estão armaze-nados. Dessa forma, a experiência pode ser desenvolvida pelos aprendizes combinando ideias complexas de forma inteligente e simples.
Uma forma que Clark et al. (6) propõe, é que sejam omitidas explicações abstratas, orientando os aprendizes quanto aos passos que devam seguir. Esses passos são facilmente processados pela memória de trabalho. Nesse momento a compreensão ainda não ocorreu, mas uma vez que o material reduzido tenha sido aprendido, ele pode ser remontado juntamente com a informação que foi omitida no início, resultando assim na compreensão. Assim sendo, a carga
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cognitiva intrínseca está sobre o controle do professor.
A carga cognitiva relevante, foi unificada à carga cognitiva intrínseca por Sweller (17), sendo esta a ultima carga descoberta pelos pesquisadores que contribuíram com as pesquisas de Sweller (17) nos avanços da Teoria da Carga Cognitiva; enunciando duas cargas cognitivas, a carga intrínseca que se refere ao objeto de estudo, e a carga estranha que é a forma que o conteúdo é apresentado ao aprendiz.
A descoberta da carga cognitiva relevante se deu através de análises de efeitos positivos na aprendizagem de alunos expostos a problemas com variabilidade de contextos. Isto é, a carga cognitiva aumentava ao expor o aprendiz a exemplos resolvidos, mas que apresentava diferencial considerável em variabilidade.
Instruir os aprendizes a realizarem uma autoexplanação, fazendo a explicação dos exem-plos e conceitos para si em voz alta, já provoca a produção da carga relevante, gerando estímulos que conduzem a produção de esquemas de automação favoráveis ao aprendizado.
França (8) reitera que o objetivo é encontrar meios para a diminuição da carga cogni-tiva estranha, introduzida pelo professor ou pelo material utilizado na exploração de distintos conteúdos, de modo que seja feito o uso da carga relevante e intrínseca sem que ocorra a indesejável sobrecarga cognitiva. Para a diminuição da carga cognitiva estranha, sugere-se o sequenciamento das informações ou até mesmo a omissão dos passos, desde que estes não com-prometam o ponto de explanação do momento; incluindo o que foi omitido, quando o aprendiz tiver conhecimento e condições de absorver as referidas informações.
França (8) também afirma que aqueles que buscam ressonâncias didáticas ou pedagógicas para fundamentação das funcionalidades de recursos digitais criados ou em processo de criação, são unânimes em destacar a necessidade em se trabalhar na redução da carga cognitiva, em busca de processos de ensino-aprendizagem de melhor eficácia.
2.5 A VISUALIZAÇÃO NO ENSINO MATEMÁTICO
Vavra et al. (21) afirmam que que a visualização é uma ferramenta de ensino eficaz. Muitas aplicações no contexto atual de ensino utilizam a visualização, incluindo matemática, leitura, ciência e tecnologia.
Segundo França (8), há uma generalizada falta de clareza sobre o que constitui uma visualização de um modo preciso. Vários termos são relacionados com a mesma, como por exemplo: a representação visual, mídia visual, letramento, habilidades de comunicação visual, ilustrações de mídias e outros.
França (8) analisa e adota Vavra et al. (21) como uma das principais referências sobre a contextualização da visualização e a sua aplicação no ensino. Transcreve que a visualização pode se referir ao objeto que se visualiza ou como o objeto é visualizado, o processo ou a habilidade de visualizar.
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que a visualização é o ato ou efeito de visualizar ou de transformar conceitos em imagens reais ou mentalmente visíveis.
Teruya; Marson (19) ao analisarem diversas bases de dados focadas no tema visualização, constataram que o emprego da visualização tanto em alunos de ensino médio quanto alunos de ensino superior, foram convergentes para o uso de materiais didáticos interativos em processos individuais de aprendizado. Tais constatações fundamentam a importância da utilização da visualização como aporte teórico para essa pesquisa. Sendo que o foco é evidenciar o potencial do uso da Realidade Aumentada no auxílio do entendimento de conceitos matemáticos que são usados na disciplina de Computação Gráfica.
2.6 TRABALHOS RELACIONADOS
2.6.1 Magic Book
O trabalho realizado por Billinghurst; Kato; Poupyrev (3), mostra o uso da RA como um auxilio didático. Os autores desenvolvem um livro de histórias que conta com interações em três níveis. O primeiro nível é similar a um livro normal que não utiliza nenhuma tecnologia. O segundo nível utiliza a RA para visualizar objetos virtuais através de marcadores inseridos nas páginas do livro. Finalmente, no terceiro nível o usuário é totalmente imerso em um espaço virtual através da Realidade Virtual.
Os livros usados são livros normais com texto e imagens. Algumas imagens tem bordas grossas, que são usadas como marcadores de rastreamento. Quando o usuário visualiza essas imagens através do dispositivo, a aplicação utiliza técnicas de visão computacional para calcular corretamente a orientação e posição da câmera com relação ao marcador de rastreamento.
A biblioteca de rastreamento utilizada para o desenvolvimento, pertence ao kit de ferra-mentas de Realidade Aumentada (ARToolkit), uma biblioteca de código aberto para desenvol-vimento de aplicações em RA, baseada em visão computacional.
Foram criados quase uma dúzia de livros em diversas áreas. E o software incorpora um analisador completo de Linguagem de Modelagem de Realidade Virtual (VRML) 97, o qual pode ser usado para desenvolver novos conteúdos virtuais. O autor afirma que depois que o conteúdo virtual é criado, é facil treinar o sistema de visão computacional. E por fim criar o livro físico com o texto e as imagens com marcadores. A Figura 2 mostra como o Magic Book possibilita aos usuários transitarem entre a Realidade, a Realidade Virtual e a Realidade Aumentada.
2.6.2 GeoAR
Esse trabalho, realizado por Reis; Kirner (14), tem como objetivo a criação de um livro de Realidade Aumentada, para o ensino e aprendizagem de tópicos de geometria sobre as
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2.6.4 Wonderland
O grupo de pesquisa da Carnegie Mellon University, é criador de um dos softwares de modelagem computacional que apoia simulações matemáticas e auxilia na criação de algoritmos, chamado Alice. Este mesmo grupo criou o projeto Wonderland, onde busca trazer os conceitos do software Alice para a Realidade Virtual. A equipe faz isso com a prototipagem rápida de seis experiências de realidade virtual, cada uma delas ilustra um conceito significativo de Ciência da Computação de forma visual e interativa. Um protótipo do sistema solar, que pretende ser uma visualização de classes e objetos na programação orientada a objetos, pode ser visto na Figura 5.
O grupo observou que a força da realidade virtual é visualizar conceitos de alto nível em uma forma única, imersiva e também interativa. Fazendo com que os alunos explorem os conceitos livremente sem precisar se preocupar com a sintaxe. Além disso, o grupo disponibi-lizou as suas descobertas e até mesmo o código fonte utilizados em seus protótipos para uso da comunidade.
Figura 5 – Protótipo do sistema solar usando Realidade Virtual
Fonte: Site do projeto: http://www.etc.cmu.edu/projects/wonderland
2.6.5 Museum Alliance
Este projeto, idealizado pela NASA é considerado porta de entrada para o mundo da educação informal e também para socialização das descobertas e ações da agência. Desempe-nha um papel junto ao ensino de ciências com recursos digitais feitos com Realidade Virtual e Aumentada. O projeto possibilita viagens espaciais virtuais para milhares de escolas e universi-dades conveniadas ao projeto. Tudo isso intercalando os modelos físicos e virtuais, que além de
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maximizar as percepções táteis, ajuda na transição do que é real e o que é virtual, principalmente para crianças.
O projeto conta com diversos programas de pesquisa com Realidade Virtual Aumentada. Um deles é o Magic Window, que acontece em uma área de recreação nacional chamada Marin Headlands, permitindo que os utilizadores visualizem o passado da região através de uma ’janela mágica’, que são marcadores de Realidade Aumentada. Também faz prognósticos futuros e atuais, bem como ajuda a entender os efeitos e implicações das mudanças climáticas. Veja na Figura 6.
Figura 6 – Usuários verificando mudanças climáticas na Magic Window
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3 IMPLEMENTAÇÃO
3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIPOS DE REALIDADE AUMENTADA
Inicialmente foi feito um estudo a respeito dos tipos existentes de Realidade Aumentada. Nesse estudo foram listados os tipos que são compatíveis com dispositivos móveis, visando a inserção no meio acadêmico através dos smartphones, facilitando assim a sua utilização. Nesse estudo foi constatado que atualmente existem dois tipos de aplicações de Realidade Aumentada, as aplicações baseadas em localização e as aplicações baseadas em marcadores.
Os aplicativos de Realidade Aumentada que são baseados na localização detectam a posição do usuário com a ajuda de recursos como o GPS, o acelerômetro e a bússola digital que estão presentes nas maiorias dos dispositivos atualmente, sobrepondo os objetos de realidade aumentada em cima de lugares físicos reais.
Já os aplicativos que são baseados em marcadores, utilizam marcadores como gatilhos para exibir o conteúdo de Realidade Aumentada. Para isso, é necessário que o dispositivo possua o recurso de câmera. O processo para visualizar o objeto é apontar a câmera na posição de um marcador. Depois que a aplicação reconhecer o marcador, ela sobrepõe o marcador com o objeto correspondente na tela do dispositivo.
Como hoje a maioria dos dispositivos possuem o recurso de câmera digital embutido, levando em conta que a aplicação será utilizada no contexto de sala de aula, não tendo assim parâmetros fixos para utilização através de coordenadas GPS, foi definido pela utilização da aplicação baseada em marcadores, por melhor se adaptar ao objetivo do projeto, uma vez que se faz necessário apenas a impressão dos marcadores, bem como os mesmos podem ser levados para diferentes lugares e manuseados com facilidade.
3.2 ESTUDO DAS BIBLIOTECAS DE REALIDADE AUMENTADA
Para a definição da biblioteca inicialmente foram definidos alguns pré-requisitos que a biblioteca precisava abranger. O primeiro pré-requisito é o custo, a biblioteca deve ser gratuita e preferencialmente de código aberto. O segundo pré-requisito é a compatibilidade, hoje existe uma grande variedade de dispositivos e plataformas. Com toda essa variedade o objetivo desse pré-requisito é encontrar uma biblioteca que contemple o maior número de dispositivos possíveis. O terceiro pré-requisito é a usabilidade, esse tem como objetivo analisar a facilidade de utilização de toda a aplicação. Buscando simplificar o máximo desde o primeiro acesso em um celular que nunca utilizou a aplicação, até a visualização dos objetos na tela.
Com base na definição de que a aplicação será através da leitura de marcadores, foi feito um estudo das bibliotecas de Realidade Aumentada que contemplam essa tecnologia. Dentre as várias bibliotecas analisadas, a que mais se encaixa com os objetivos do projeto e os pré-requisitos estabelecidos anteriormente é a biblioteca ’AR.js’.
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Nessa perspectiva, o protótipo concebido nessa pesquisa buscou contemplar o cuidado com a quantidade de informações mostradas aos utilizadores e consequentemente o cuidado com a sobrecarga cognitiva, presente nos princípios da Teoria da Carga Cognitiva, um dos principais aportes teóricos dessa pesquisa.
Mas também buscou contemplar o aporte teórico da Visualização, que sugere que a aprendizagem ocorre por meio da visualização dos objetos científicos gerados. Esses objetos de visualização, que no protótipo desenvolvido são demonstrações em 3D das operações básicas entre vetores. Assim estudantes atribuem ao protótipo a condição condição de auxiliar na aprendizagem ou compreensão do conceito matemático através da visualização.
Nesse sentido, Vavra et al. (21) alertam que é um grande equívoco inferir que um objeto de visualização dará conta sozinho da compreensão e análise do conteúdo em estudo, reforçando assim o que foi dito no capítulo 3.5 que trata sobre a Visualização.
Com a pretensão de atender o que Costabile et al. (7) afirmam sobre a usabilidade em aplicações didáticas, durante o desenvolvimento do protótipo buscou-se aliar a facilidade de utilização da ferramenta. Em suas pesquisas, os autores afirmam que na falta de usabilidade, o aluno é forçado a gastar muito tempo tentando entender como a aplicação funciona, em vez de entender o conteúdo da aprendizagem. Com uma aplicação rígida, lenta e desagradável o aluno esquece verdadeiro objetivo proposto, e com essa distração a aplicação perde a sua finalidade.
Portanto, ao desenvolver uma ferramenta de fácil utilização, agrega-se a presença da diminuição da carga cognitiva estranha, citada no capítulo 3.4 como um dos objetivos para um processo de ensino e aprendizagem de maior eficácia. Outro aspecto que demonstra a presença dos referenciais teóricos no protótipo criado é o sequenciamento das informações; uma vez que no protótipo é possível visualizar primeiramente os vetores de forma separada, omitindo o resultado final da operação. E por fim, com o terceiro marcador observar o resultado da operação entre eles. Dessa forma, utiliza-se a memória de trabalho de uma forma mais efetiva.
3.4 TESTE DA PLATAFORMA
Para a validação de uma ferramenta tecnológica ou computacional, além do correto funcionamento se faz necessário que ocorra a aceitação do projeto pelo público alvo. Da mesma forma, os recursos computacionais educacionais também precisam alcançar os objetivos de aprendizagem ao que foram propostos.
A estratégia para a validação da ferramenta desenvolvida nessa pesquisa foi sua experi-mentação em uma das aulas de Computação Gráfica na Universidade da Fronteira Sul para a exposição do projeto.
Para reproduzir uma aula inicial de Computação Gráfica, revisando os conceitos das operações básicas entre vetores, foram distribuídos entre os alunos vários conjuntos de marca-dores que correspondem a objetos de visualização de vetores matemáticos tridimensionais: dois vetores denominados com a letra A e outros dois vetores denominados com a letra B. Junto com
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esses marcadores os alunos receberam um QR-Code que direciona o acesso à ferramenta e mais outros dois marcadores, um contendo o objeto de visualização que demonstra o resultado da soma entre os vetores A e B, e outro contendo o objeto de visualização do resultado da subtração entre os vetores A e B.
Os alunos foram orientados a visualizar inicialmente apenas os objetos que não continham o resultado das operações, com a finalidade de analisar os objetos de visualização em Realidade Aumentada e sondar por si só o melhor resultado, alcançando assim uma das recomendações da Teoria da Carga Cognitiva, que preconiza que através do sequenciamento das informações ou da omissão de alguns passos durante o processo didático, ocorre a redução da carga cognitiva estranha.
Após essas observações individuais foi possível observar o resultado das operações utilizando os marcadores que correspondem à soma e subtração, incorporando assim o passo que foi omitido inicialmente e resultando na compreensão dos conceitos por completo. O processo está ilustrado na Figura 11.
Figura 11 – Alunos observando os objetos de visualização das operações
Depois de interagirem com a ferramenta, os alunos foram orientados a responder um questionário que foi disponibilizado através do Google Forms e pode ser lido por completo no Apêndice A. O questionário foi montado com base no questionário de França (8), e adaptado para o conteúdo das operações entre vetores. Deste questionário foram obtidas 36 respostas, sendo elas 88,9% do sexo masculino e os outros 11,1% do sexo feminino com a idade em sua maioria entre 20 e 23 anos. Uma das questões do questionário trata do uso de softwares educativos que utilizam Realidade Aumentada. Dos 36 alunos que responderam o questionário apenas uma afirma ter utilizado essa tecnologia como maneira educacional.
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4 CONSIDERAÇÕES
As dificuldades na contextualização dos conteúdos matemáticos existem em grande parte pela dificuldade na visualização dos exemplos. Com base nisso buscou-se contextualizar sobre a criação de aplicações de Realidade Aumentada e como essa tecnologia se relaciona com o meio educacional e pedagógico.
Além disso, o grande desafio consistia em pesquisar os referenciais teóricos utilizados por essas aplicações e buscar neles embasamento teórico que legitimasse o potencial da utilização da Realidade Aumentada em benefício da concepção e aprendizado de conceitos matemáticos.
Encontrado o aporte teórico da Teoria da Carga Cognitiva e também da Visualização, o presente trabalho tinha como objetivo geral criar uma aplicação de Realidade Aumentada, que auxiliasse os alunos no entendimento de conceitos matemáticos que são usados na disciplina de Computação Gráfica na Universidade Federal da Fronteira Sul. Desenvolveu-se assim um protótipo utilizando os princípios da Teoria da Carga Cognitiva e da Visualização, contendo demonstrações sobre vetores e as operações básicas entre eles.
Para a validação, 36 alunos de Computação Gráfica da Universidade Federal da Fronteira Sul utilizaram e testaram a plataforma, e após visualizarem as demonstrações foram orientados a responder um questionário com a intenção de verificar se os recursos disponibilizados na ferramenta qualificariam a mesma como um objeto de auxílio na superação dos problemas de aprendizagem subjacentes ao tema de operações entre vetores.
Ao serem questionados sobre a navegabilidade da ferramenta e a visualização dos objetos, os resultados recebidos foram altamente positivos, com a maioria dos alunos respondendo que o acesso à ferramenta foi feito de forma amigável e também não tiveram dificuldades na visualização dos objetos.
É importante comentar que um aluno relatou no campo de mensagem que teve dificul-dades quanto a compatibilidade da ferramenta com um navegador. Da mesma forma, sobre a dificuldade na visualização dos objetos também tiveram algumas mensagens relatando que os objetos saíam da tela em alguns momentos da visualização. Apesar disso essas questões não interferem na validação da navegabilidade da ferramenta, levando em conta a infinidade de modelos de dispositivos existentes e visto que a maioria dos estudantes conseguiu acessar a ferramenta normalmente, esse ajuste de compatibilidade e visualização poderia ser disponibi-lizado em uma versão posterior ao protótipo que foi desenvolvido. A aceitação da ferramenta pela maior parte dos estudantes indica que os métodos utilizados foram entendidos e bem rece-bidos alcançando o nosso objetivo de encontrar uma biblioteca que se adaptasse ao ensino de matemática no contexto de Computação Gráfica.
No que diz respeito à percepção dos alunos quanto à potencialização do entendimento das operações entre vetores e se eles utilizariam ou indicariam a ferramenta para o uso em sala de aula, é possível afirmar que de todas as respostas, 35 pessoas responderam que sim ou talvez e apenas 1 respondeu que não, tornando assim coerente deduzir que a mesma foi aceita pelos
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alunos e os objetivos foram alcançados.
Finalmente, pode-se perceber que a Realidade Aumentada aliada a Teoria da Carga Cog-nitiva e da Visualização mostram-se como uma alternativa viável para auxiliar o entendimento de conceitos matemáticos, em especial nesse projeto a visualização das operações entre vetores em uma aula de Computação Gráfica na Universidade Federal da Fronteira Sul.
4.1 TRABALHOS FUTUROS
As impressões do uso e o potencial que pode ser explorado mostram o quanto essa ferramenta pode ser útil no tocante a novas práticas pedagógicas. Acredita-se que alguns ajustes na ferramenta serão necessários, como já constatado na questão de compatibilidade com alguns navegadores e também no posicionamento dos objetos. Com o uso constante da mesma, além dos ajustes que surgirão, pode-se explorar e incrementar novos recursos que potencializem ainda mais o entendimento das operações entre os vetores.
No presente trabalho, são apresentados os indicadores do potencial da Realidade Aumen-tada aplicados em uma aula sobre vetores na disciplina de Computação Gráfica na Universidade Federal da Fronteira Sul. Esse potencial pode ser explorado também em outras áreas de ensino, através da geração de novos objetos de visualização. Em conjunto com o professor da disci-plina pode ser analisado a geração de conteúdo para novas aulas, ampliando assim os recursos disponibilizados pela ferramenta.
Como contribuição futura, pode-se realizar pesquisas sobre a melhor forma de cada professor gerar o seu próprio conteúdo para as suas aulas, e ele mesmo agregar esse novo conteúdo à ferramenta; bem como dar continuidade à ferramenta adicionando novos recursos e criando novas formas de avaliação da mesma, como por exemplo, testes de longo prazo que consigam avaliar o progresso dos alunos no conteúdo que está sendo apresentado.
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REFERÊNCIAS
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Environments, MIT Press, v. 6, n. 4, p. 355–385, 1997.
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3 BILLINGHURST, Mark; KATO, Hirokazu; POUPYREV, Ivan. The magicbook-moving seamlessly between reality and virtuality. IEEE Computer Graphics and applications, IEEE, v. 21, n. 3, p. 6–8, 2001.
4 BOTEGA, Leonardo Castro; CRUVINEL, Paulo Estevão. Realidade virtual: histórico, conceitos e dispositivos. Embrapa Instrumentação-Capıtulo em livro cientıfico
(ALICE), In: COSTA, RM; RIBEIRO, MWS (Org.). Aplicações de realidade virtual
e . . ., 2009.
5 BOYER, Carl B; PÉREZ, Mariano Martınez. Historia de la matemática. [S.l.]: Alianza ˆ eMadrid Madrid, 1986.
6 CLARK, Ruth et al. Efficiency in Learning: Evidence-Based Guidelines to Manage Cognitive Load. Performance Improvement, v. 45, out. 2006. DOI:
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7 COSTABILE, Maria Francesca et al. On the usability evaluation of e-learning applications. In: IEEE. PROCEEDINGS of the 38th Annual Hawaii International Conference on System Sciences. [S.l.: s.n.], 2005. 6b–6b.
8 FRANÇA, Carlos Roberto. O potencial da realidade virtual e aumentada na concepção de objeto de visualização para aprendizagem de Fısica. Universidade Federal de Santa Catarina, 2019.
9 FRANÇA, Carlos Roberto; SILVA, Tatiana da. A Realidade Virtual e Aumentada e o Ensino de Ciências. Revista de Estudos e Pesquisas sobre Ensino Tecnológico
(EDUCITEC), v. 5, n. 10, 2019.
10 GRANDI, Jerônimo G et al. Collaborative manipulation of 3D virtual objects in
augmented reality scenarios using mobile devices. In: IEEE. 2017 IEEE Symposium on 3D User Interfaces (3DUI). [S.l.: s.n.], 2017. p. 264–265.
11 KIRNER, Claudio; KIRNER, Tereza Gonçalves. Evolução e tendências da Realidade Virtual e da Realidade Aumentada. Realidade Virtual e Aumentada: Aplicações e
Tendências. Cap, v. 1, p. 10–25, 2011.
12 MILGRAM, Paul; KISHINO, Fumio. A taxonomy of mixed reality visual displays.
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13 MILLER, George A. The magical number seven, plus or minus two: Some limits on our capacity for processing information. Psychological review, American Psychological Association, v. 63, n. 2, p. 81, 1956.
14 REIS, Fernanda Maria Villela; KIRNER, Tereza Gonçalves. Desenvolvimento de um Livro com Realidade Aumentada para o Ensino de Geometria. In: ANAIS do VIII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada-WRVA. [S.l.: s.n.], 2011. p. 1–6. 15 RICHARD, Paul et al. A comparison of haptic, visual and auditive force feedback for
deformable virtual objects. In: PROCEEDINGS of the Internation Conference on Automation Technology (ICAT). [S.l.: s.n.], 1994. v. 49, p. 62.
16 SANTOS, Leila Maria Araújo. A inserção de um agente conversacional animado em um ambiente virtual de aprendizagem a partir da teoria da carga cognitiva, 2009.
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18 . Cognitive Load Theory: a special issue of educational psychologist. LEA. [S.l.]: Inc, 2003.
19 TERUYA, Leila Cardoso; MARSON, Guilherme Andrade. A pesquisa em visualização no ensino de Quımica na última década.
20 VAN MERRIENBOER, Jeroen JG; SWELLER, John. Cognitive load theory and complex learning: Recent developments and future directions. Educational psychology review, Springer, v. 17, n. 2, p. 147–177, 2005.
21 VAVRA, Karen L et al. Visualization in science education. Alberta Science Education
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APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO DE VALIDAÇÃO
Realidade Aumentada em Computação Gráfica
Essa é uma consulta referente à utilização de recursos de Realidade Aumentada para auxiliar o ensino de conceitos de Geometria na disciplina de Computação Gráfica. Todas as respostas fornecidas são anônimas e serão usadas exclusivamente para fins de pesquisa.Pergunta 1:
Qual é o seu gênero? (Obrigatório)
( ) Masculino
( ) Feminino
( ) Outro
( ) Prefiro não dizer
Pergunta 2:
Qual sua idade (em anos)? (Obrigatório)
Pergunta 3:
Em alguma disciplina da graduação você já fez uso de
softwa-res educativos que utilizam Realidade Virtual ou Realidade Aumentada?
(Obrigatório)
( ) Sim
( ) Não
Pergunta 4:
Você considera que seu conhecimento prévio sobre operações
entre vetores é? (Obrigatório)
( ) Básico
( ) Normal
( ) Avançado
Pergunta 5:
Na sua avaliação a navegabilidade da ferramenta, desde a leitura
do QR Code até a visualização dos objetos estão amigavelmente
disponibi-lizados? (Obrigatório)
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