Abstract— This paper presents a simulator to help electrical engineering students and professionals in the learning process. The proposed tool embodies Virtual Reality technologies on the improvement of understanding equipment maneuvers in distribution power systems. The tool has a virtual didactic distribution network in which the students handle several real tasks related to operation and maintenance of distribution network through applied technology. We hope that this tool can contribute to develop and improve professional skills in engineering at a low cost and furthermore it supports laboratory and associated technical activities.
Keywords— Learning Process, Simulator, Engineering, Distribution Power System, Virtual Reality.
I. INTRODUÇÃO
S AVANÇOS tecnológicos nas últimas décadas têm influenciado o setor de ensino em todo o mundo, resultando em uma demanda crescente por novos sistemas voltados ao ensino nas áreas de Ciências, Medicina, Engenharia, entre outras. O desenvolvimento da computação gráfica expôs o grande potencial da realidade virtual (RV) como uma promissora tecnologia que pode auxiliar alunos, professores e profissionais na compreensão de conceitos básicos aplicados a diversas áreas, uma vez que essa tecnologia pode permitir a criação de atividades cotidianas de forma mais realística, tendo-se a possibilidade de fornecer
feedbacks durante o processo de aprendizagem, os quais,
segundo Nakagawa et al. [1], quando contínuos e imediatos, ajudam o aluno a reter informações.
No Brasil, além da transformação tecnológica nos últimos vinte anos, assistiu-se a um notável processo de crescimento de seu ensino superior [2]. Segundo dados relatados em [2], houve um crescimento de 51,91% de Instituições Públicas de Ensino Superior (IPES). Percebeu-se assim, nas últimas décadas, um crescimento na rede de instituições públicas com objetivo principal de colaborar com a democratização da educação superior no Brasil.
Segenreich [3] afirma que geralmente essas instituições estão afastadas geograficamente dos grandes centros urbanos e apresentam escassos recursos didáticos e inexistência de
R. T. S. Araújo, Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, Ceará, Brasil, [email protected].
M. E. S. Araújo, Instituto Federal do Ceará (IFCE), Juazeiro do Norte, Ceará, Brasil, [email protected].
F. N. S. Medeiros, Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, Ceará, Brasil, [email protected].
B. F. C. Oliveira, Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, Ceará, Brasil, [email protected].
N. M. S. Araújo, Universidade Estadual do Ceará (UECE), Fortaleza, Ceará, Brasil, [email protected].
laboratórios para ensino de disciplinas técnicas, como laboratórios de redes de distribuição de energia.
Outro fator relevante em relação à democratização do ensino no Brasil é a contribuição que o sistema Universidade Aberta do Brasil (UAB) tem oferecido. Segundo dados extraídos do Sistema UAB (SisUAB), disponíveis em [4], considerando apenas instituições e cursos ativos, atualmente 95 instituições públicas de ensino superior ofertam 708 cursos na modalidade semipresencial. Porém apenas um curso de Engenharia é ofertado nessa modalidade de ensino pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) via UAB. Há, assim, uma lacuna na oferta de mais cursos de Engenharia no país inteiro.
Uma proposta que poderia auxiliar na oferta de cursos de Engenharia e amenizar problemas de falta de laboratório consiste no desenvolvimento de ferramentas computacionais de apoio ao ensino de Engenharia. Machado et al. [5] e Baracho et al. [6] destacam que estudos têm mostrado a eficácia do emprego de técnicas computacionais para motivar os alunos no processo de aprendizagem.
Corroborando com a importância do desenvolvimento de ferramentas computacionais, os pesquisadores em [7] apontam o crescimento da educação a distância no mundo nas áreas de ciência, tecnologia e engenharia e ressaltam a importância do uso de laboratórios virtuais para apoiar essa modalidade de ensino. Esses pesquisadores ainda fornecem uma visão geral do estado da arte em laboratórios virtuais, apontam tecnologias relevantes e destacam tendências atuais para futuros avanços na tecnologia e suas aplicações.
Considerando o potencial de ensino-aprendizagem fomentado pela RV, este artigo apresenta o desenvolvimento de um simulador 3D para apoiar estudantes da área de engenharia elétrica e profissionais em seu processo de aprendizagem. Em [8] e [9], os pesquisadores afirmam que a energia elétrica é essencial para a evolução, crescimento e desenvolvimento socioeconômico de um país ou região. De fato a energia está presente em toda a cadeia de produção, distribuição e uso final de bens e serviços.
Observando, portanto, a importância da energia elétrica como um vetor para desenvolvimento, optou-se por implementar um simulador na área de operação do sistema elétrico.
Para garantir qualidade no fornecimento de energia, as concessionárias estabelecem procedimentos de operação e manutenção dos diversos equipamentos instalados nas redes de distribuição de energia elétrica. Esses procedimentos visam assegurar a integridade física do sistema elétrico, manter a qualidade e continuidade no fornecimento de energia e a segurança dos seus colaboradores e de terceiros.
R. T. S. Araújo, M. E. S. Araújo, F. N. S. Medeiros, B. F. C. Oliveira and N. M. S. Araújo
Interactive Simulator for Electric Engineering
Training
Assim, aprendizagem e treinamento de estudantes e profissionais na área de operação do sistema elétrico são tarefas essenciais. Galvan-Bobadilla et al. [10] relatam que as concessionárias de energia elétrica, bem como outras indústrias, estão em busca de ferramentas inovadoras poderosas para aprendizagem e formação. A partir dessa linha de pensamento, buscou-se então desenvolver um simulador nessa área para atender às demandas reais das concessionárias e das instituições de ensino em que há escassez ou precariedade nos laboratórios físicos.
Em relação aos aspectos tecnológicos, optou-se pela realidade virtual não imersiva, pelo desenvolvimento de ambientes virtuais com o uso do Blender [11] e Unity 3D [12], utilizando-se linguagem de programação JavaScript. O simulador proposto permite ao usuário interagir com os ambientes virtuais realísticos que efetivamente facilitam o aprendizado de conceitos elétricos.
As seções seguintes apresentam os aspectos relevantes do processo de desenvolvimento dessa pesquisa e mostram os resultados de sua implementação. A segunda seção traz o referencial teórico utilizado para fundamentar o simulador; a terceira seção descreve o contexto de concepção do simulador, explorando o processo de operação e manutenção de redes de distribuição aérea; a quarta apresenta a metodologia do desenvolvimento e implementação do simulador; a quinta seção mostra os resultados, enquanto a última apresenta conclusões e trabalhos futuros.
II. REALIDADE VIRTUAL X APRENDIZAGEM NA ENGENHARIA Segundo Kirner e Siscoutto [13], a realidade virtual é uma “interface avançada do usuário” capaz de fornecer acesso a aplicações executadas em um dispositivo computacional favorecendo a visualização, a movimentação e a interação em tempo real.
A modelagem dos ambientes virtuais fornecida pela RV através de linguagens VRML (Virtual Reality Modeling
Language), X3D ou ferramentas como Blender, 3DMax, entre
outras, alinhadas com ferramentas utilizadas para construir cenas, animações e linguagem de programação como
JavaScript permitem que profissionais, alunos e professores
possam interagir, visualizar, explorar e experimentar situações reais cotidianas dos envolvidos na aplicação. A RV, então, pode ser utilizada com vasta aplicação na área de ensino, treinamento e engenharia.
Valdez et al. [14] utilizaram um sistema de realidade virtual para desktop aplicado no ensino de Engenharia. O trabalho dos autores apresenta um sistema de aprendizagem da disciplina de teoria de circuito, no qual se fornece a possibilidade de entender a relação entre os conceitos físicos de um circuito elétrico, corrente contínua e alternada, através de simulações de computador e animações. O projeto também serviu para melhorar a habilidade no uso de equipamentos elétricos e destacar os benefícios potenciais do uso de RV para esta finalidade. Os autores destacaram também que no contexto educacional os ambientes virtuais são capazes de beneficiar a comunicação entre professores e alunos e dos alunos entre si, fornecendo novas oportunidades para os
estudantes participarem mais ativamente de seu próprio processo de aprendizagem.
Na perspectiva de treinamento utilizando RV, há uma diversidade de trabalhos, tais como [15], [16], [17] e [10]. Castro et al. [16] apresentam um simulador de treinamento, ATreVEE 3D, iniciado em [15]. Esse simulador tem como objetivo auxiliar profissionais no treinamento de proce-dimentos de troca de isoladores em postes com linha ativa (energizada) ou desativada. Os isoladores são componentes críticos do sistema elétrico, e a ocorrência de falhas provocadas, por exemplo, por defeitos na fabricação, vandalismo ou descargas atmosféricas pode retirar linhas ou subestações de operação. O simulador em [16] é composto por dois cenários, um cenário de preparação e um cenário de treinamento principal. No cenário de preparação, o usuário controla um avatar e escolhe os equipamentos necessários para substituição do isolador. Há três modos de treinamento: demonstrativo, manual e sequencial. O modo demonstrativo é a execução automática dos procedimentos nos cenários apresentados no modo manual, já o modo sequencial difere no nível de interação e interfaces apresentados ao aprendiz. Ainda em uma segunda etapa da pesquisa em [16], os pesquisadores procuram enriquecer a experiência para o treinamento dos procedimentos, troca de isoladores, adicionando uma abordagem voltada à interação gestual, na qual ao invés de cliques de mouse o usuário poderá usar gestos para acionar o sistema.
Barata et al. [17] desenvolveram uma ferramenta de realidade virtual autoral para proporcionar aos estudantes de engenharia elétrica a visualização de um autotransformador instalado em uma subestação de energia elétrica, permitindo realizar procedimentos de manutenção e operação virtuais nesse equipamento. Os transformadores e autotransformadores são equipamentos importantes que transmitem potência elétrica nos sistemas de transmissão e distribuição de energia. Eles são responsáveis pelas mudanças de valores de tensão, corrente e impedância no sistema elétrico. No entanto, os autotransformadores são mais empregados, quando a relação entre as tensões de entrada e saída são próximas uma da outra, apresentando melhor custo benefício. A ferramenta incorpora 17 atividades de treinamento, chamadas de VTIs (Virtual
Techinical Instruction), divididas em quatro grupos:
apresentação, comutação do tap, proteção interna do transformador e manutenção. Cada treinamento pode ser realizado através de três modos de aprendizagem: automática, guiada e simulada. Esses modos são projetados para ensinar os estudantes de forma gradual, diferindo apenas no seu nível de orientação, o que proporciona uma aprendizagem de forma proativa em que os estudantes tomam suas próprias decisões, de modo semelhante à abordagem de aprendizagem autodirigida. A ferramenta foi aplicada em uma turma de engenharia elétrica e os pesquisadores avaliaram, por meio de questionários e relatórios, que os níveis de motivação, retenção de conhecimento e desempenho dos estudantes melhoraram com o uso da ferramenta. Além disso, os autores propõem um framework para ajudar a criar ferramentas para treinamentos com RV.
Os pesquisadores em [10] apresentam uma ferramenta que usa realidade virtual para treinamento de operadores em linhas subterrâneas de um sistema de potência. A manutenção e operação das redes subterrâneas exigem profissionais qualificados, pois não são tarefas fáceis, já que as linhas não são visíveis. Além disso, os operadores estão sujeitos a um ambiente confinado, com pouca iluminação, riscos de explosão, inalação de gases tóxicos, dentre outros fatores. A ferramenta incorpora manobras de manutenção e operação de redes de distribuição subterrânea de média e baixa tensões, e é composta por três módulos: catálogo de realidade virtual, treinamento e avaliação. No módulo catálogo, os usuários podem visualizar equipamentos, ferramentas e ferragens de construção. O módulo de treinamento permite a execução de manobras com auxílio de instruções seguindo uma sequência pré-estabelecida. Por fim, o módulo de avaliação exige maior habilidade do usuário, pois as manobras são realizadas sem ajuda e sem sequência pré-estabelecida. Ainda neste módulo, todas as ações realizadas pelo usuário são rastreadas, para elaboração de relatórios de avaliação. A ferramenta foi aplicada no treinamento de operadores em todas as divisões de uma concessionária de energia elétrica no México com excelentes resultados.
Em consonância com as ferramentas de treinamentos apresentadas, neste artigo é proposto um simulador para operação de equipamentos especiais, como bancos de capacitores, religadores automáticos e reguladores de tensão, empregados em redes de distribuição aéreas de média tensão. Tais equipamentos são imprescindíveis para regulação dos níveis de tensão das redes e continuidade do fornecimento de energia elétrica do sistema de distribuição. No simulador são apresentadas diversas situações reais em que é possível ao usuário, por intermédio da tecnologia de realidade virtual, executar diferentes operações nos equipamentos especiais. Além do treinamento de profissionais, o simulador tem finalidade didática, pois atenderá estudantes do curso técnico de eletrotécnica que estudam na modalidade a distância em uma instituição pública de ensino federal no Brasil.
Outro aspecto a ser destacado com o uso do simulador aqui proposto é o incentivo aos alunos participantes do desenvolvimento da pesquisa permanecerem nos cursos de engenharia e o estímulo dado aos alunos de cursos técnicos a ingressarem nos cursos de engenharia.
Desse modo, o simulador deverá contribuir para o aprimoramento e/ou aquisição de habilidades profissionais em engenharia e auxiliar na capacitação de alunos e profissionais em larga escala, a distância e a baixo custo, reduzindo o deslocamento para grandes centros.
Avalia-se assim que o simulador contribui para a formação de alunos e profissionais do setor de energia elétrica. Na próxima seção, será apresentado o contexto de concepção do simulador. Serão enfatizadas as normas, os procedimentos técnicos de execução, os equipamentos e as estruturas utilizadas na operação de redes de distribuição.
III. CONTEXTO DE CONCEPÇÃO DO SIMULADOR: OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO AÉREAS NO BRASIL
O crescimento do sistema de distribuição de energia elétrica nas duas últimas décadas no Brasil foi impulsionado por várias ações do Governo Federal. Em 2002, entrou em vigor a Lei Federal no 10.438, que trata da universalização do serviço público de energia elétrica. Outro incentivo foi a criação do programa Luz para Todos em 2003, que tem como finalidade viabilizar a universalização do acesso à energia elétrica no Brasil nas áreas rurais.
A expansão do sistema elétrico, além de beneficiar a população de baixa renda, lançou um grande desafio para as empresas distribuidoras de energia elétrica que é assegurar a qualidade no fornecimento, ou seja, garantir a qualidade do serviço e do produto oferecidos aos consumidores.
De acordo com Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, a qualidade dos serviços prestados compreende a avaliação das interrupções no fornecimento de energia elétrica. Destacam-se, nesse aspecto, os indicadores de continuidade coletivos, DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora).
Para garantir a qualidade do produto, que nesse caso é a entrega de energia aos consumidores, é imprescindível que o sistema de distribuição de energia elétrica opere dentro dos limites mínimos e máximos dos níveis de tensão estabelecidos pela resolução normativa 505/2001 da ANEEL.
Visando atender às resoluções normativas da ANEEL, as concessionárias de energia elétrica instalam diversos equipamentos especiais ao longo das suas redes de distribuição, para garantir adequados níveis de tensão e reduzir a duração e frequência das interrupções provocadas por falhas de natureza diversas. Dentre os equipamentos especiais, destacam-se os bancos de capacitores, reguladores de tensão e religadores automáticos.
Os bancos de capacitores são responsáveis por reduzir as correntes elétricas que trafegam no sistema, enquanto os reguladores de tensão diferem dos bancos de capacitores em seu princípio de funcionamento, que é análogo ao do autotransformador, o qual é capaz de manter a tensão de saída estável mesmo havendo variações da tensão de entrada.
Para proteção das redes de distribuição, são empregados disjuntores providos de unidades de religamento. Esses equipamentos são capazes de reestabelecer o fornecimento de energia em faltas temporárias, comuns em redes aéreas devido a condições ambientais, como crescimento de vegetação próximo às redes, presença de animais e outros corpos estranhos.
Para segurança dos profissionais que operam esses equipamentos, normas internacionais como a britânica
Occupational Health and Safety Assessment Services -
OHSAS 18001 [18], e brasileira, Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade - NR-10 [19] determinam os requisitos mínimos de segurança para evitar os perigos e riscos aos quais os trabalhadores podem estar expostos. As concessionárias de energia, por sua vez, estabelecem procedimentos de manutenção e operação nos diversos
equipamentos instalados nessas redes, visando à garantia da segurança dos seus colaboradores e terceiros, bem como a integridade física do sistema elétrico, a manutenção da qualidade e a continuidade no fornecimento de energia.
Consequentemente, os métodos de treinamento convencionais envolvem custos e riscos nas atividades de operação das redes elétricas. Procedimentos recorrentes, como instalações e retiradas de equipamentos de proteção nas redes elétricas, se efetuados de forma incorreta, podem provocar sérios danos aos operadores e às instalações. A interrupção não controlada da corrente elétrica nas redes de distribuição pode desencadear o surgimento de arco-elétrico [20] em chaves de proteção, provocando desgaste prematuro, curto-circuito, princípios de incêndios, explosões, lesões ou mortes. Para operação das redes, os operadores, além de conhecerem os riscos inerentes às atividades, necessitam conhecer os procedimentos e normas de operação [PEX – 9, PEX-10 e PEX-17] e segurança [NR-10 e NR-18], as configurações básicas das redes, suas estruturas e componentes.
Novos métodos de treinamento de pessoal podem reduzir os custos e riscos envolvidos nas atividades de operação das redes elétricas. Uma adequada compreensão da operação dos equipamentos utilizados nas redes elétricasreais e o emprego de modelos tridimensionais, seguindo procedimentos técnicos de segurança em um ambiente em realidade virtual controlado, auxiliam na aprendizagem e na redução de riscos. Na próxima seção, será apresentada a metodologia utilizada no desenvolvimento do simulador proposto.
IV. DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO DO SIMULADOR INTERATIVO
A ferramenta desenvolvida possui uma rede de distribuição didática composta por diversas estruturas e equipamentos especiais utilizados para proteção e regulação de média tensão do sistema de distribuição de energia.
O simulador é um sistema desktop que fornece um ambiente de interação humano-computador em realidade virtual não imersiva (não utiliza nenhum tipo de dispositivo multissensorial) para usuários e está focado na operação de chaves de manobra dos equipamentos de um sistema de distribuição de energia. No entanto, o simulador possui características de imersão, uma vez que o estudante pode estar imerso em uma rede de distribuição didática modelada, realizando manobras em uma rede de distribuição de médio porte.
Os comandos de operação dos dispositivos de entrada, como mouse e teclado, são recebidos pelo motor RV. São realizadas pelos usuários atividades como instalação e retirada de operação de banco de capacitores, religadores automáticos e reguladores.
Assim, o simulador desenvolvido corrobora com [21] que afirma que um dos principais objetivos da realidade virtual é fornecer ambientes imersivos que levam os participantes a saírem do mundo real e imergirem em um mundo virtual.
A metodologia adotada para o desenvolvimento do simulador é composta pelas seguintes etapas: a) sistematização de uma unidade instrucional, conforme modelo adaptado ISD (Instructional Systematic Design) proposto por [22]; b) modelagem 3D de equipamentos, cenários e avatares; c) programação e animação de equipamentos, avatares, diálogos, cenários e atividades propostas e d) simulador finalizado, ou seja, consolidação da rede didática disponível para uso.
A primeira etapa do desenvolvimento (observar Fig. 1), sistematização de uma unidade instrucional, traz como resultado a roteirização de atividades, ou seja, a sistematização das ideias, atividades, resultando na criação de uma experiência de ensino que tem como base a ciência instrucional, utilizando-se uma abordagem de ISD.
Figura 1. Modelo ISD adaptado de [22].
A abordagem educacional de design instrucional utilizada foi adaptada do modelo proposto por [22] denominado ISD. Este modelo visa melhorar o processo de construção de cada atividade proposta no simulador, seguindo procedimentos para facilitar a aprendizagem.
Assim, para a roteirização de cada atividade, foram adotados os seguintes procedimentos:
i) Identificação da meta instrucional. No caso da concepção deste simulador, uma das metas foi a operação de chaves de manobra dos equipamentos no sistema de distribuição de energia;
ii) Após a identificação da meta, analisa-se o público-alvo e o contexto em que ele está inserido e se conduz a análise instrucional. No caso deste experimento, os usuários são estudantes de um curso técnico de eletrotécnica ofertado a distância em uma instituição federal de ensino e eletricistas de uma concessionária de energia elétrica. Na análise instrucional, por sua vez, identificam-se as
Identificar metas instrucionais Analisar aprendizes e contexto Conduzir análise instrucional Escrever objetivos de desempenho Descrever instrumentos de avaliação Desenvolver estratégias instrucionais Desenvolver e selecionar materiais instrucionais Roteirizar atividades
etapas relevantes para se atingir a meta instrucional estabelecida. Por exemplo, para operar corretamente um equipamento, o estudante necessita conhecer os conceitos de arco elétrico, os procedimentos de segurança, etc.;
iii) Escrita do objetivo de desempenho. Com base na análise instrucional, um objetivo de desempenho é uma descrição específica do que os alunos serão capazes de realizar quando completam uma tarefa. Por exemplo, aprender a sequência de operação das chaves;
iv) Desenvolvimento de instrumentos de avaliação. Nessa etapa é observado se o estudante alcança seu objetivo. Por exemplo, o instrumento de avaliação é capaz de aferir se o estudante realiza a operação das chaves dos equipamentos corretamente e fornece feedbacks ao estudante em relação aos erros e acertos nessa atividade;
v) Desenvolvimento de estratégias instrucionais. Essas estratégias são utilizadas para descrever o processo de sequência, organização do conteúdo e escolha do método instrucional a partir de que o conteúdo será exposto. Por exemplo, os procedimentos e normas de operação dos equipamentos foram expostos no simulador através de leitura e de operação das chaves de modo experimental; vi) Seleção dos materiais necessários de acordo com as
estratégias instrucionais estabelecidas no item (v); vii) Roteirização das tarefas. Roteirizar as atividades
propostas no simulador e avaliá-las tendo como base os materiais instrucionais (normas e relatórios, por exemplo).
Para a etapa de modelagem, foi utilizado o software
Blender 3D [11]. Os primeiros objetos modelados foram as
peças que compõem os equipamentos, por exemplo, buchas, chaves, parafusos, tanques. Depois disso, os equipamentos são criados a partir dessas peças e, em seguida, são validados por um especialista. Se aprovados, os equipamentos modelados serão utilizados para compor as estruturas utilizadas na rede didática das atividades do simulador. Esse procedimento de modelagem facilita a criação das atividades propostas e sua expansão, já que há um repositório amplo de peças modeladas.
Na modelagem do cenário e avatares, procura-se retratar de forma realística o ambiente que um operador de uma rede de distribuição (representado no simulador pelo avatar de um eletricista) encontraria na prática profissional. É modelada também uma localidade ícone de uma cidade para que o usuário tenha a sensação de estar imerso no simulador.
A etapa subsequente de desenvolvimento do simulador é a programação e animação. Nesta etapa, simula-se a operação de chaves fusíveis e seccionadoras dos equipamentos. Utilizou-se os softwares Blender e Unity 3D para realização dessa tarefa. As animações para operações das chaves são realizadas salvando posições importantes e os respectivos tempos dos objetos na timeline do software Blender. Assim, o próprio Blender movimenta a chave, levando-a de uma posição a outra no tempo correto. Em seguida, os arquivos
criados no Blender são exportados para o Unity 3D (game
engine) onde são gerados scripts na linguagem de
programação JavaScript, para rastreamentos das ações do usuário durante a realização das atividades no simulador.
Além disso, o Unity 3D gerencia a sequência de apresentação da diversas cenas, botões de comando e transições entre as diversas atividades. O Unity 3D é um
software multiplataforma, que permitiu criar versões do
simulador para as plataformas Windows, OS X e Linux. Apesar da versão completa do Unity 3D ser paga, há uma versão gratuita que é disponibilizada pela Unity Technologies e foi essa a utilizada para criação do simulador.
Em [23] é apresentado com detalhes o processo de modelagem e animação da rede de distribuição didática com suas respectivas estruturas, equipamentos, cenários e avatares.
A última etapa da metodologia compreende o simulador testado, finalizado e disponível para download. Os estudantes do curso de eletrotécnica que irão utilizar o simulador estão distribuídos em polos de apoio presencial em municípios do interior do Ceará. O simulador ficará hospedado no servidor da instituição pública federal de ensino ofertante.
V. RESULTADOS
Essa pesquisa apresentou o processo de desenvolvimento de um simulador para ensino e treinamento em operação de sistemas elétricos. Para tanto, construiu-se um simulador 3D em que os equipamentos e os componentes podem ser vistos e manipulados.
A Fig. 2 mostra o ambiente do simulador. Na imagem, pode-se observar a rede didática em um cenário modelado e três opções de escolha no menu principal: iniciar simulador, visualizar os equipamentos, onde o estudante tem acesso aos equipamentos modelados e suas descrições técnicas, e sair do simulador. Clicando em iniciar simulador, o estudante pode selecionar diferentes atividades relacionadas à operação dos equipamentos das redes. Durante a execução dessas atividades, o estudante interage com dois avatares: um representando o eletricista em processo de treinamento e o outro o papel de instrutor. O simulador também avalia as ações efetuadas pelo estudante através de feedback constante por meio de mensagens.
O simulador inclui informações adicionais sobre procedimento de operação e dicas escritas por especialistas, as quais podem ser acessadas por demanda do usuário a qualquer momento.
O simulador possui oito procedimentos de manobras em quatro equipamentos especiais utilizados nas redes de distribuição de energia. As manobras são para instalação e retiradas de um banco de capacitores, um religador automático de linha, um banco de reguladores de tensão em delta aberto e um banco de reguladores de tensão em delta fechado. As manobras são realizadas por uma sequência de passos pré-definidos e semiguiados mediante instruções fornecidas pelo simulador. As transições para avanço dos passos das manobras são disparadas pelo usuário através de botões de comando. Finalizada a manobra, o simulador indica através de mensagem de texto, o êxito ou insucesso na operação dos
equipamentos. Caso o usuário obtenha êxito, ele é estimulado a passar para outra atividade. Caso contrário, o simulador informa que a manobra foi efetuada incorretamente e recomenda que o usuário reveja os procedimentos de execução dos equipamentos, dispostos em um repositório de documentos do simulador. Essa abordagem facilita uma aprendizagem gradual e de forma autodirigida, estimulando o usuário a tomar suas próprias decisões.
No total, há cerca de três minutos de animação, dois mil, cento e cinquenta e quatro (2154) objetos modelados, incluindo cenários, avatares e estruturas, além de oito cenas interativas visando aumentar a segurança e desenvoltura no uso de equipamentos especiais.
A pesquisa encontra-se na fase de treinamento dos aprendizes. Um manual de aplicação para professores e instrutores foi elaborado, telas de abertura do simulador, montagem do cenário, interação entre os avatares, atividades de ligar e desligar o banco de capacitores, entre outras ações foram implementadas. A Fig. 3 ilustra exemplos de estrutura e equipamento modelados.
Figura 2. Ambiente do simulador.
(a) Estrutura de um regulador de tensão.
(b) Equipamento – célula capacitiva. Figura 3. Etapa de modelagem - estrutura e equipamento modelados.
A Fig. 4 ilustra uma das atividades implementadas no simulador. Trata-se de uma manobra para retirar de operação um banco de capacitores instalado em uma rede de distribuição. O objetivo da atividade consiste em avaliar a sequência de operações efetuada pelo usuário nas três chaves fusíveis do banco de capacitores.
O exemplo ilustra o usuário operando as chaves em uma sequência correta. A Fig. 4(i) ilustra o banco de capacitor conectado, operando no sistema de distribuição de energia. O simulador, nessa cena, solicita ao usuário que siga as instruções apresentadas pelo instrutor, de modo que o
eletricista realize o procedimento da abertura das chaves na sequência correta. Na Fig. 4(ii), o procedimento inicia com a abertura da primeira chave fusível; na Fig. 4(iii), o procedimento continua com a abertura da segunda chave fusível; e na Fig. 4(iv) o usuário faz o procedimento de abertura da última chave. Nessa cena, há feedback para o usuário informando que a sequência de operação ocorreu corretamente.
(i) (ii)
(iii) (iv)
Figura 4. Exemplo de atividade proposta no simulador. VI. CONCLUSÕES
Neste artigo, apresentamos o desenvolvimento de um simulador interativo para apoiar estudantes, profissionais e professores da área de Engenharia Elétrica no processo de ensino e aprendizagem.
A base teórica utilizada no desenvolvimento e implementação do simulador foi o arcabouço da ciência instrucional. A utilização da técnica de ISD (Instructional
Systems Development) foi importante para viabilizar uma
análise cuidadosa e sistemática de cada atividade presente no simulador. Vale destacar, neste artigo, a relevância da técnica de ISD e da realidade virtual na modelagem e desenvolvimento de um simulador interativo, com intuito de melhorar a aprendizagem baseada na investigação. O simulador também deverá auxiliar na padronização dos procedimentos de operação de redes de distribuição.
Considerando-se que um dos objetivos do desenvolvimento do simulador é a contribuição na formação e capacitação no setor de energia e que a abrangência dos resultados dentro da perspectiva da educação é relevante, concluímos que o simulador apresenta grande potencial de disseminação. Além da contribuição na formação de recursos humanos, o projeto integrou pesquisadores de três instituições públicas de ensino, contribuiu para que uma estudante de graduação que participou do projeto permanecesse no curso de Engenharia e para que dois alunos do curso técnico, também participantes do projeto, ingressassem para Engenharia.
Assim, este trabalho proporcionou uma nova estratégia de ensino-aprendizagem para estudantes e professores, capaz de incentivar os estudantes participantes do projeto a permanecerem nos cursos de Engenharia, estimular e atrair os estudantes dos cursos técnicos a ingressarem nos cursos de Engenharia.
Como trabalho futuro, prosseguiremos com as etapas de validação e teste do simulador, fazendo uso do simulador no curso técnico de eletrotécnica ofertado na modalidade a distância em uma instituição pública de ensino federal. Após teste, validação e ajustes necessários, o simulador será disseminado via rede e-Tec Brasil como auxílio no processo ensino-aprendizagem para todo país e demais localidades no mundo.
AGRADECIMENTOS
Essa pesquisa foi parcialmente financiada pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq – processo 454783/2012-4 via Chamada CNPq/Vale S. A, no
05/2012-Forma-Engenharia.
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Régia Talina Silva Araújo é graduada e mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, Ceará, Brasil. Professora do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará desde 2004. É aluna de doutorado do departamento de Engenharia de Teleinformática da UFC. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica e Educação a Distância (EaD). Atualmente vem desenvolvendo projetos e pesquisas na área de realidade virtual, EaD e Ensino de Engenharia.
Manuel Edervaldo Souto Araújo é graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (UFC) e mestre em Engenharia de Produção pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB). Professor do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará desde 2008. Tem experiência na área de distribuição de energia elétrica e atuou como engenheiro analista na Companhia Energética do Ceará (Coelce) por dez anos. Atualmente vem desenvolvendo pesquisas nas áreas de realidade virtual e planejamento da automação de sistemas de distribuição de energia elétrica.
Brígida Farias Cardoso Oliveira é graduanda do curso de Engenharia de Computação pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, Ceará, Brasil. Tem experiência na área de desenvolvimento de software e realidade virtual. Atualmente participa do projeto CNPq/Vale S. A, no
05/2012-Forma-Engenharia.
Fátima Nelsizeuma Sombra de Medeiros é professora do Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará (UFC). Coordenadora do Laboratório de Visão, Imagem e Sinais – LABVIS. Desenvolve pesquisas e projetos nas áreas de Engenharia Elétrica, Computação e Geociências. Nukácia Meyre Silva Araújo é professora do Programa de Pós-graduação em Linguística Aplicada da Universidade Estadual do Ceará (UECE) Coordenadora do Laboratório de Jogos e Ferramentas Educacionais – LAJogos. Desenvolve pesquisas e projetos nas áreas Ensino e Novas Tecnologias e Educação a Distância.
