2015.1 Bianca Leite Santana

BIANCA LEITE SANTANA

RAX: UM OBJETO DE APRENDIZAGEM VOLTADO PARA ESTUDANTES DO ENSINO MÉDIO PARA POTENCIALIZAR A APRENDIZAGEM DA RADIAÇÃO X.

FEIRA DE SANTANA 2015

RAX: UM OBJETO DE APRENDIZAGEM VOLTADO PARA ESTUDANTES DO ENSINO MÉDIO PARA POTENCIALIZAR A APRENDIZAGEM DA RADIAÇÃO X.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Computação.

Orientador(a): Prof. Gabriela Ribeiro Peixoto Rezende Pinto Co-orientador: Prof. Álvaro Santos Alves

FEIRA DE SANTANA 2015

Para Sônia Maria, porque ela sempre me disse que a educação é a chave que abre todas as portas.

Em primeiro lugar, agradeço a Deus pois ele tem me abençoado continuamente e me ensinado que a vida é preciosa demais para pautar a felicidade em coisas que possam ser compradas e que é preciso pôr o amor incondicional a Ele a nossos irmãos como medida para nossas ações.

Agradeço a minha mãe/pai Sônia Maria, por todo o esforço que tem feito por mim e por sempre ter me mostrado o poder transformador da Educação. A meu avô Benjamim, por ser a pessoa mais incrível desse mundo e me ensinar todos os dias o que é o amor, inclusive quando esquece meu nome. A minha avó Darcy, minha segunda mãe, por sempre me apoiar e me aconselhar.

Agradeço a Felipe, por todo seu amor e companheirismo, por sempre estar ao meu lado.

Agradeço a todos os meus colegas de curso, especialmente aqueles que estiveram mais próximos em 2013 e 2014: Délquen, Magally, João e Marcus.

Agradeço a Professora Gabriela, não só pela orientação no trabalho aqui apresentado, mas por ser o melhor exemplo de pessoa ética que eu conheci na universidade.

Agradeço a Jarbas da Silva de Jesus, pela incrível colaboração neste trabalho. E ao Professor Álvaro Santos Alves, pela sua disponibilidade e colaboração.

Este trabalho apresenta o OA RAX que é um Objeto de Aprendizagem em formato de Simulação, que busca auxiliar professores na inserção de tópicos de Física Quântica para estudantes do Ensino Médio, abordando a produção de raios X e sua aplicação como diagnóstico médico. Serão relatados como se deu o processo de implementação do OA RAX, assim como seus teste de aceitação, realizado em uma turma do ensino médio. Após análise de resultados dos testes, serão evidenciados os desafios e as possibilidades do uso do OA RAX, utilizado por essas pessoas.

This work presents the OA RAX, a Learning Object in Simulation format. The OA RAX intends the inclusion of topics from Quantum Physics in high school, in particular it does by dealing with the production of X rays and from application to medical diagnosis. It will be reported here how the process of the implementation for OA RAX and design was take, as well as its acceptance test, applied to high school. After the reviewing of the test results, it will be showe the challenges and possibilities for the use of OA RAX.

Figura 1 Tela de introdução do OA Raios-X ... 17

Figura 2 Tela de simulação da produção dos Raios-X do OA Raios-X. ... 17

Figura 3 Tubo de Raios-X. ... 19

Figura 4 Espectro contínuo de Raios-X. ... 20

Figura 5 Processo de Bremsstrahlung. ... 21

Figura 6 Espectro da emissão característica de Raios-X. ... 22

Figura 7 Relacionamentos de comunicação, inclusão e extensão. ... 25

Figura 8 Relacionamento de generalização para caso de uso e atores. ... 25

Figura 9 Representação de uma classe. ... 26

Figura 10 Representação de um pacote. ... 27

Figura 11 Relação de associação. ... 28

Figura 12 Relação de agregação. ... 28

Figura 13 Relação de realização. ... 28

Figura 14 Relação generalização ou herança. ... 28

Figura 15 – Modelo para a tela inicial do programa... 40

Figura 16 Modelo de tela para a aplicação prática dos Raios-X. ... 41

Figura 17 Tela que mostra aplicação prática com os painéis expandidos. ... 41

Figura 18 Modelo para a tela da simulação do tubo de Raios-X. ... 41

Figura 19 Modelo para a tela de informações. ... 42

Figura 20 Modelo para a tela de Ajuda. ... 42

Figura 21 Diagrama de casos de uso para o OA RAX. ... 44

Figura 22 Diagrama de classes do OA RAX ... 47

Figura 23 Implementação do método paint. ... 49

Figura 24 Remoção de uma tela da janela principal do sistema. ... 50

Figura 25 Comandos para adicionar uma tela a janela principal do sistema. ... 50

Figura 26 Trecho do método carregarMenu. ... 51

Figura 27 – Implementação do método run e iniciarSimulacao. ... 52

Figura 28 Implementação do método energiaCineticaEletronIncidente. ... 53

Figura 29 Implementação do método exponenciar. ... 54

Figura 30 Resultados da questão 3 da primeira parte do questionário. ... 60

Figura 34 Resultados da questão 1 da segunda parte do questionário... 62

Figura 35 Resultados da questão 2 da segunda parte do questionário... 63

Figura 36 Resultados da questão 3 da segunda parte do questionário... 64

Figura 37 Resultados da questão 4 da segunda parte do questionário... 64

Figura 38 Tela Principal do OA RAX com Menu inicial. ... 70

Figura 39 Tela com a Máquina utilizada no exame de Raios-X. ... 70

Figura 40 Tela com a Máquina de Raios-X com todos os painéis abertos. ... 71

Figura 41 Tela da simulação. ... 71

Figura 42 Tela de Ajuda, com visualização das fórmulas utilizadas... 72

Figura 43 Tela de ajuda ... 72

Tabela 1 Parâmetros de entrada para a simulação da produção de Raios-X. ... 38

Tabela 2 constantes utilizadas ... 39

Tabela 3 Grandezas medidas na simulação. ... 39

Tabela 4 Casos de teste para o cenário 1. ... 55

Tabela 5 Casos de teste para o cenário 2. ... 56

Tabela 6 Casos de teste para o cenário 3. ... 56

E v h λ p Å C A V K c energia do fóton frequência do fóton constante de Planck

comprimento de onda do fóton momento

unidade de medida ångstrom cátodo

ánodo potencial

energia cinética do elétron velocidade da luz no vácuo

1 INTRODUÇÃO ... 3 1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 3 1.2 OBJETIVOS ... 5 1.2.1 Objetivos gerais ... 5 1.2.2 Objetivos específicos ... 5 1.3 JUSTIFICATIVA ... 6 1.4 LIMITES DO TRABALHO ... 7 1.5 ESTRUTURA DO DOCUMENTO ... 8 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 9 2.1 OBJETOS DE APRENDIZAGEM ... 9 2.2 SIMULAÇÃO ... 11

2.3 TEORIA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA ... 12

2.4 TRABALHOS CORRELACIONADOS ... 14

2.4.1 Trabalho Correlacionado 1: Um estudo sobre a introdução de tópicos de FMC no ensino médio através do tema Raios-X ... 14

2.4.2 Trabalho Correlacionado 2: OA Raios-X ... 16

2.5 RAIOS-X ... 18

2.6 ENGENHARIA DE SOFTWARE E FERRAMENTAS ... 22

2.6.1 Unifield Modelage Language (UML) ... 23

2.6.2 Diagramas de Casos de Uso ... 24

2.6.3 Diagrama de Classes ... 26

2.6.4 Java e API Java 2D ... 29

3 METODOLOGIA ... 30

3.1 COMPREENSÃO DOS CONCEITOS DA FÍSICA MODERNA ... 30

3.2 LEVANTAMENTO DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA O DESENVOLVIMENTO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 30

3.3 MODELAGEM DO OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 31

3.4 DESENVOLVIMENTO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 31

3.5 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM ... 32

3.5.1 Campo e Sujeitos da Pesquisa ... 33

3.6 LEVANTAMENTO E APLICAÇÃO DE MELHORIAS PARA O SOFTWARE ... 36

4 MODELAGEM DO OA RAX ... 37

4.1 REQUISITOS DO OA RAX ... 37

4.1.1 Conjunto de Requisitos Funcionais ... 37

4.2 MODELAGEM TEÓRICA DA SIMULAÇÃO DA PRODUÇÃO DE RAIOS-X ... 38

4.3 MODELO DE TELAS DO SOFTWARE ... 40

4.4 MODELAGEM DO SOFTWARE ... 43

4.3.1 Diagrama de Casos de Uso ... 43

4.3.2 Diagrama de Classes ... 45

5 CODIFICAÇÃO DO OA RAX ... 48

6 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO OA RAX ... 55

6.1 VERIFICAÇÃO DO OA RAX ATRAVÉS DE CASOS DE TESTE ... 55

6.2 VALIDAÇÃO DO OA RAX ATRAVÉS DE PESQUISA DE CAMPO ... 57

6.2.1 Ficha de Observação ... 57

6.2.2 Questionário ... 59

6.3 VALIDAÇÃO DO OA RAX PELO PROFESSOR COAUTOR ... 67

7 FUNCIONAMENTO DO OA RAX ... 70

8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 75

8.1 TRABALHOS FUTUROS ... 76

REFERÊNCIAS ... 78

APÊNDICE A – FICHA DE OBSERVAÇÃO FEITA DURANTE A APLICAÇÃO DO OA RAX EM SALA DE AULA ... 81

APÊNDICE B – QUESTIONÁRIO APLICADO AOS ALUNOS ... 83

APÊNDICE C – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIMENTO .. 85

APÊNDICE D – QUESTIONÁRIO ELABORADO PARA O PROFESSOR ... 87

1 INTRODUÇÃO

A Física Quântica é um dos pilares da Física Moderna e Contemporânea. Deve-se à compreensão das propriedades quânticas dos materiais o deDeve-senvolvimento de diversas tecnologias, como por exemplo, a miniaturização dos circuitos eletrônicos que culminaram no aumento da capacidade dos computadores ao longo dos últimos anos.

Outro exemplo de aplicação da Física Quântica são os Raios-X, utilizados amplamente no exame de radiografia, em indústrias para detecção de fratura de peças, além de seu largo espectro de utilização em laboratórios de análise físico-química. A Radiação X foi uma das primeiras formas de radiação descobertas, e suas propriedades estão entre os assuntos fundamentais para a compreensão da Física Quântica, especialmente para aqueles que desejam iniciar nesse tema.

A Física Quântica possui um papel fundamental para o avanço da ciência e tecnologia, e seu entendimento é muito importante para qualquer país que queira se mostrar competitivo nesses seguimentos. Prova disso é que, segundo Tegmark e J.A. Wheeler (2001), em 2001 estimava-se que cerca de 30% do Produto Interno Bruno dos Estados Unidos se baseava nas invenções possibilitadas pela Física Quântica.

1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA

Apesar de tão importante e de sua aplicação ser tão presente na vida da maioria das pessoas, o ensino da Física Quântica nas escolas brasileiras, voltadas para o Ensino Médio e Fundamental, é quase inexistente, tornando-se um desafio a ser vencido nos próximos anos. Segundo Souza e Araújo (2010), a introdução de tópicos de Física Moderna e Contemporânea para estudantes do Ensino Médio é respaldada pelos Parâmetros Curriculares Nacionais – PCN (BRASIL, 1999) e PCN+ (BRASIL, 2002) e defendida por diversos pesquisadores (CAVALCANTE, 1999; OSTERMANN; MOREIRA, 1998; MENEZES; HOSOUME, 1997; TERRAZAN, 1992).

Assim, a discussão sobre como introduzir os conteúdo da Física Quântica ainda no Ensino Médio é recorrente e tem culminando em diversas iniciativas. Uma delas

relaciona-se à capacitação de professores, a exemplo do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), apoiado pela Sociedade Brasileira de Física (SBF), que promove a atualização conceitual e didático-pedagógica de professores com o objetivo de inserir a Física Moderna e Contemporânea (FMC) no ambiente escolar.

Outro desafio do ensino de Física Quântica nas escolas relaciona-se aos recursos didáticos disponíveis para apoiar esta iniciativa. Existem muitos livros que abordam temas relacionados à FMC além do fato que nos últimos anos houve uma grande atualização dos livros didáticos do Ensino Médio, que passaram a contemplar assuntos relacionados a esse tema, mas a abordagem desses tópicos continua distante da realidade vivida pelo estudante, contribuindo para ampliar a rejeição ao modelo de ensino vigente (SOUZA; ARAÚJO, 2010). Além disso, o número reduzido de aulas de Física faz com que esse tema geralmente não seja abordado, e quando essa abordagem ocorre, se dá em um momento emocional desfavorável ao estudante, pois usualmente ocorre no final de ano, o que torna o material pouco útil para a abordagem necessária desses tópicos (SOUZA; ARAÚJO, 2010).

Também existem muitos materiais disponíveis na internet, mas poucos são os que se propõem a auxiliar o processo de aprendizagem da Física Quântica, transmitindo seus conceitos de maneira clara, ilustrada e com credibilidade. Assim, os materiais didáticos mais confiáveis estão disponíveis em formatos mais tradicionais, como livros e apostilas, que incentivam o ensino da Física Quântica apenas da maneira “tradicional”, onde o professor expõe o conteúdo e gera questões, desconsiderando o caráter de ciência experimental da Física (TAROUCO; TRENTIN, 2002).

Segundo Tarouco e Trentin (2002), no ensino da Física é conhecido que boa parte dos estudantes têm dificuldade, e é importante considerá-lo como um agente ativo na construção de seu próprio conhecimento. Uma maneira de facilitar o processo de ensino-aprendizagem é por meio da realização de experiências, da utilização de meios audiovisuais e do aproveitamento de softwares. Um tipo de material computacional que é muito usado para apoiar o processo de ensino-aprendizagem é o Objeto de Aprendizagem (OA), que pode apoiar professores do Ensino Médio e Fundamental no processo educacional e motivar os estudantes a apreenderem os conceitos relacionados. Os OAs são definidos por Wiley (2000) como sendo "[...] qualquer recurso digital que pode ser reusado para apoiar a aprendizagem".

Considerando o tema da produção de raios-X, a quantidade de OAs que podem ser encontrados através de buscas pela internet incluindo sites de bancos de OA, não é muito grande. Dentre os OAs encontrados, praticamente nenhum deles possui referências claras sobre sua autoria ou o embasamento teórico que serviu para sua produção. O único OA encontrado, disponível em português brasileiro, que atende aos requisitos de confiabilidade no conteúdo teórico traz uma abordagem diferente, em termos de interface e usabilidade, da que será proposta por este trabalho. Pergunta-se, então, quais são os limites e as possibilidades em se utilizar um OA desenvolvido com o intuito de potencializar a aprendizagem de raio X, de estudantes do ensino médio?

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivos gerais

Tomando como base o contexto anteriormente apresentado, a intenção do trabalho que aqui se apresenta é potencializar a aprendizagem de conceitos básicos da Física Quântica, aproveitando o caráter de ciência experimental da Física, através do desenvolvimento de um software, mais especificamente um OA, que permita a simulação da produção de Raios-X, que é um dos conteúdos importantes para a introdução da Física Quântica. Deseja-se proporcionar ao estudante a percepção do fenômeno como se ele estivesse em um laboratório. O software desenvolvido denominado Objeto de Aprendizagem Raio-X (OA RAX), deverá simular um Tubo de Raio-X permitindo a observação das relações de causa e efeito, além da manipulação de parâmetros por parte do estudante.

1.2.2 Objetivos específicos

 Compreender o conceito de Objeto de Aprendizagem, quais características são necessárias para considerar uma entidade digital como um OA e sua importância

no processo educacional. Levantar os requisitos necessários para classificação de uma entidade digital como um OA.

 Compreender como os OAs podem ser utilizados para promover a aprendizagem significativa.

 Compreender fundamentos teóricos de Física Quântica, principalmente os Raios-X, sua história e produção no tubo de raios catódicos.

 Identificar as iniciativas existentes, voltadas para inserção da Física Moderna e Contemporânea nas escolas do Ensino Médio.

 Levantar as tecnologias que possam ser utilizadas para a modelagem e desenvolvimento do software proposto.

 Levantar os requisitos necessários para o desenvolvimento de um OA capaz de auxiliar professores do ensino médio na inserção de tópicos de Física Quântica em turmas do ensino médio, através do tema Raios-X.

 Modelar um OA utilizando fundamentos teóricos de Física Quântica, previamente desenvolvidos e tecnologias de produção de software que são aprendidas no curso de Engenharia de Computação. A modelagem deve ser feita em coautoria com um aluno do Mestrado de Ensino de Física da UEFS, e professor do Ensino Médio, que validará o aporte teórico da Física.

 Testar e validar um OA que simule a produção dos Raios-X.

1.3 JUSTIFICATIVA

Os OAs podem ser de vários tipos, desde um vídeo ou animação em flash até jogos eletrônicos, softwares educacionais que permitam simulação etc. A seleção de um OA para uso em atividade didática deve se basear no objetivo que se pretende alcançar. Um professor pode selecionar um recurso em formato de vídeo, por exemplo, quando sua intenção é ganhar a atenção dos estudantes, mas, para auxiliá-los na compreensão de conceitos mais complexos, é conveniente optar por uma simulação que permita a manipulação de parâmetros e a observação de relações de causa e efeito dos fenômenos (TAROUCO et al., 2014).

Uma simulação é um modelo computacional de um sistema real, cuja manipulação, permite o entendimento de seu comportamento ou operação do mundo real (VALENTE, 1993). Partindo desta definição, as simulações mostram-se adequadas para o ensino da Física Quântica, onde a possibilidade de realização de atividades práticas experimentais são dificultadas não somente por exigir uma estrutura em laboratórios, que não é comum, especialmente em escolas públicas, mas também pela natureza dos materiais que devem ser manipulados. O uso de um OA que simule alguns fenômenos quânticos pode promover um ambiente rico do ponto de vista pedagógico, melhorando a compreensão de conceitos e aumentando a interação entre professores e estudantes.

Há também uma motivação pessoal que justifique a realização deste trabalho, pois a intenção desde o início, era de desenvolver um Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) que tivesse como resultado uma ferramenta que auxiliasse o processo de ensino/aprendizagem e que pudesse servir, principalmente, às instituições públicas de ensino.

1.4 LIMITES DO TRABALHO

O processo de verificação e validação do OA RAX se deu exatamente como planejado, a primeira versão do OA RAX foi aplicada na pesquisa de campo e através do feedback obtido por partes dos estudantes e do professor coautor, foram levantados alguns pontos de melhorias. A intenção inicial era poder aplicar todas alterações que fossem listadas a partir da pesquisa de campo. No entanto, como o tempo é o fator que controla a entrega de uma nova versão do software, e por haver uma limitação no tempo disponível para a execução deste trabalho, não foi possível a aplicação de todos os pontos de melhorias levantados. Assim, será apresentada na Seção 7, a segunda versão do OA RAX, considerando as melhorias que puderam ser implementadas.

Vale ressaltar que, apesar dessas limitações, o OA RAX pode ser validado em um ambiente real de ensino e isso, além de trazer pontos de melhorias mais robustos, contribuiu para o enriquecimento da pesquisa e a comprovação das possíveis contribuições que essa iniciativa oferece.

1.5 ESTRUTURA DO DOCUMENTO

Este documento é composto por 8 Seções. Na primeira delas, conforme exposto anteriormente, é feita uma introdução sobre o trabalho desenvolvido. Na Seção 2 serão abordados os fundamentos teóricos cuja compreensão se mostrou indispensável para a confecção do OA RAX, como: OA, Simulação, Teoria da Aprendizagem Significativa, Trabalhos correlacionados, Engenharia de Software e ferramentas utilizadas. Na Seção 3 será descrita a metodologia empregada na construção do projeto, descrevendo as etapas que foram necessárias para o desenvolvimento do OA RAX. A Seção 4 apresenta o processo de modelagem do OA RAX, através da especificação dos requisitos de software, do conteúdo teórico necessário, do modelo de telas desenvolvido e da confecção de diagramas descritivos para o comportamento e estrutura do programa. Na Seção 5 é descrito o processo de codificação do OA RAX e a estrutura do código fonte desenvolvido. Na Seção 6 é descrito o processo de verificação e validação do OA RAX, incluindo os testes realizados e a pesquisa de campo, bem como os resultados obtidos em cada uma dessas etapas. Na Seção 7 será apresentada a versão atual do OA RAX, explicando seu funcionamento. Por fim, a Seção 8 trará as considerações finais acerca deste projeto seguido das perspectivas futuras para este trabalho.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O desenvolvimento do projeto aqui apresentado exige um arranjo de habilidades multidisciplinares, envolvendo estudo de iniciativas já existentes para este tema, os fundamentos básicos da Radiação-x, o conceitos sobre objetos de aprendizagem e teorias educacionais, além de ferramentas computacionais e técnicas para produção de software. Cada um desses temas são tratados nos itens a seguir:

2.1 OBJETOS DE APRENDIZAGEM

Os Objetos de Aprendizagem, ou somente OAs, são definidos por Wiley (2000) como sendo "[...] qualquer recurso digital que pode ser reusado para apoiar a aprendizagem". Uma definição mais abrangente, dada por Koohang e Harman (2007), considera objetos de aprendizagem como entidades que podem ser customizadas e reusadas com objetivos institucionais, mas diferentemente da definição encontrada em Wiley (2000), os OAs não precisam ser exclusivamente digitais. Os OAs podem ser ferramentas mais simples em formato de apresentações de slides ou um conjunto de imagens e áudios, já os OAs mais complexos podem ser em formato de animações ou simulações.

Independente do grau de complexidade um OA deve apresentar algumas características fundamentais. Em Mendes (2004), são definidos alguns requisitos essenciais para os OAs:

 Reusabilidade: o OA pode ser utilizado diversas vezes e em diversos ambientes.

 Adaptabilidade: adaptável a qualquer ambiente de ensino.

 Granuralidade: se refere a capacidade do OA em combinar diferentes recursos, e consequentemente a sua capacidade de seu conteúdo ser abordado em pedaços, o que facilita a sua reusabilidade. Nesse sentido um objeto com maior granularidade, é um objeto que combina poucos

recursos, enquanto que um objeto com menor granularidade é aquele que combina diferentes recursos, como por exemplo, imagens, textos e sons.  Disponibilidade: o OA deve ser disponibilizado via internet para ser

usado em diferentes locais.

 Durabilidade: possibilidade de continuar a ser usado, independente da mudança de tecnologia.

 Interoperabilidade: o OA deve operar em diferentes hardwares, sistemas operacionais e browsers, se apresentar muitas diferenças em suas funcionalidades.

Além das características apresentadas, os OAs devem conter em sua estrutura três partes bem definidas: Objetivos, Conteúdo Institucional e Práticas (TAROUCO et al., 2014). Na primeira delas deve-se estabelecer os objetivos pedagógicos que tornam apropriada a utilização do Objeto de Aprendizagem. O Conteúdo Institucional de um OA diz respeito aos materiais didáticos que devem ser apresentados para que os objetivos que norteiam o uso do objeto sejam alcançados. As Práticas de um OA correspondem ao modo como o feedback do estudante pode ser obtido para saber se os objetivos pedagógicos definidos foram alcançados.

Em Tarouco (2014) são apresentadas diretrizes baseadas nas concepções de outros autores, que são necessárias para se projetar um Objeto de Aprendizagem. A primeira delas aponta para a necessidade de estabelecer os objetivos do material pedagógico bem como definir o público alvo em termos de habilidades, conhecimentos e estilos de aprendizagem. Também é apontada a necessidade de uma interface que seja definida de maneira a garantir a melhor usabilidade possível. As estratégias de interatividade que serão oferecidas pelo Objeto de Aprendizagem devem ser estabelecidas. Por fim, devem ser definidas as ferramentas que são utilizadas para a construção do OA, bem como os recursos humanos e financeiros disponíveis.

A usabilidade se apresenta como um fator muito importante para garantir a eficiência de um Objeto de Aprendizagem e, segundo Flôres e Tarouco (2008), deve ser pensada do pondo de vista da usabilidade do Design e da usabilidade pedagógica. A usabilidade de Design deve garantir a eficiência da interface do sistema, tornando-a de fácil utilização, além trazer conteúdos e funcionalidades organizadas, levando em consideração a ergonomia do sistema. A usabilidade pedagógica deve garantir a

utilização do objeto de aprendizagem como um ambiente de aprendizagem construtivista, onde o estudante é um agente na produção do próprio conhecimento.

O OA RAX é um OA que se situa na categoria de simulação, pois considerando os objetivos do material pedagógico e o público alvo a que ele se destina a simulação mostrou-se a melhor opção para condensar o conteúdo necessário e abordá-lo de maneira clara e objetiva. Para entender aprimorar o entendimento sobre os requisitos necessários para que OA RAX alcançasse seus objetivos, foi necessário buscar pelo conceito de simulação e suas capacidades como ferramenta de ensino. Uma breve descrição sobre esse tipo de OA é feita no item a seguir.

2.2 SIMULAÇÃO

Uma simulação é um modelo computacional de um sistema real, cuja manipulação, permite o entendimento de seu comportamento ou operação do mundo real (VALENTE, 1993). Esta modalidade de uso do computador na educação oferece a possibilidade do estudante desenvolver hipóteses, testá-las, analisar resultados e refinar os conceitos.

Uma simulação computacional pode ser considerada uma ferramenta educacional de complementação e aperfeiçoamento, criando condições de aprendizagem, contribuindo para a melhoria do entendimento de determinado assunto. Segundo Valente (1993), a simulação deve ser vista como um complemento de apresentações formais, leituras e discussões em sala de aula, pois é necessário criar condições para o aprendiz fazer a transição entre a simulação e o fenômeno no mundo real. Se estas complementações não forem realizadas não existe garantia de que o aprendizado ocorra e de que o conhecimento possa ser aplicado à vida real.

O uso de simulações permite ao estudante descobrir relações por ele mesmo, ao invés de ser explicitamente ensinado. Outra vantagem do uso destes modelos, incluindo uso em sala de aula, é que eles permitem a exploração de situações com risco, como manipulação de substância químicas e perigosas, ou experimentos que são muito complicados ou possuem custo muito alto para realização (VALENTE, 1993).

2.3 TEORIA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA

A aprendizagem Significativa de David Ausubel está voltada para o processo ensino-aprendizagem que ocorre na sala de aula. Para Ausubel, o fator isolado que mais influência na aprendizagem é aquilo que o estudante já sabe, e portanto, o papel do professor é identificar isso e ensinar de acordo com esse conhecimento prévio que pode ser útil na compreensão de novos temas. Essa teoria se baseia fortemente na aprendizagem cognitiva, que é um tipo de aprendizagem que traz um armazenamento hierárquico e organizado de informações na mente do estudante (MOREIRA, 1999). O resultado desse complexo organizado recebe o nome de estrutura cognitiva.

As estruturas cognitivas são provenientes de representações das experiências sensoriais do estudante. O suporte teórico do OA aqui apresentado baseia-se em parte, na Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel, mas vale ressaltar que não é objetivo deste trabalho verificar, a aprendizagem significativa de estudantes, e sim desenvolver um recurso didático que auxilie os professores de Física do ensino médio a promovê-la e/ou potencializá-la.

A teoria da aprendizagem significativa defende que a organização das informações armazenadas no cérebro humano forma uma hierarquia conceitual, na qual elementos mais específicos de conhecimento estão ligados a conceitos mais gerais (MOREIRA, 1999). Assim, na aprendizagem significativa uma nova informação deve relacionar-se com um aspecto especificamente relevante da estrutura de conhecimento do estudante, ou seja, este processo envolve a interação da nova informação com uma estrutura de conhecimento específica existente em sua estrutura cognitiva. Aos conceitos presentes na estrutura de conhecimento específica, já sabida pelo estudante, dá-se o nome de conceito subsunçor, uma tradução livre para o termo em inglês subsumer (MOREIRA, 1999).

A aprendizagem significativa pode ser exemplificada no ensino da Física para vários temas, um exemplo disso pode ser o ensino do eletromagnetismo, supondo que os conceitos de força e campo já existam na estrutura cognitiva do estudante, eles servirão de subsunçores para novas informações referentes a outros tipos de força e campo, como a força e o campo eletromagnéticos. Esse processo de ancoragem da nova

informação também resulta em crescimento e modificação de conceito subsunçor (MOREIRA, 1999). Ainda no exemplo dado, com a aprendizagem dos conceitos de força e campo eletromagnéticos, os próprios conceitos iniciais de força e campo tornam-se mais rebuscados, tendo tornam-seu entendimento também melhorado.

Em oposição ao conceito de aprendizagem significativa está a aprendizagem mecânica, que é uma aprendizagem de novas informações de maneira automática, com pouca ou nenhuma interação com conceitos relevantes existentes na estrutura cognitiva do aluno (MOREIRA, 1999). Assim, as informações são armazenadas sem ligação com conceitos subsunçores específicos, e enquanto não existam elementos na estrutura cognitiva do estudante que possam servir de conceitos subsunçores a aprendizagem se dá de maneira mecânica.

O material didático utilizado para a ocorrência da aprendizagem significativa deve ser facilmente relacionável à estrutura cognitiva do aluno. A compreensão verdadeira de um conceito implica na posse de significados claros por parte do aprendiz, mas ao testar essa compreensão usualmente são obtidas respostas mecânicas pois os alunos estão acostumados a memorizar conceitos (MOREIRA, 1999). Por isso a melhor maneira de promover a aprendizagem significativa e avaliar esse aprendizado é formulando problemas de uma maneira nova e diferente da apresentação encontrada originalmente em materiais institucionais (MOREIRA, 1999). Nesse ponto de vista, a utilização de OAs, cujo conjunto de conhecimentos prévios exigidos coincida com o nível de aprendizado prévio dos estudantes, amplia a promoção da aprendizagem significativa.

Do ponto de vista ausUbeliano, o papel do professor na facilitação da aprendizagem significativa envolve alguns passos fundamentais (MOREIRA, 1999):

 Identificar a estrutura conceitual da matéria a ser ensinada e organizar os conceitoS hierarquicamente, partindo dos menos inclusivos até chegar nos conceitos mais específicos.

 Identificar os conceitos subsunçores para promover a aprendizagem do conteúdo a ser ensinado.

 Identificar o que o aluno já sabe

 Ensinar utilizando recursos que facilitem a aquisição da estrutura conceitual identificada.

2.4 TRABALHOS CORRELACIONADOS

A quantidade de trabalhos, disponíveis na internet, que visam a introdução de tópicos Física Quântica através do tema Raios-X, seja em formato de Objeto de Aprendizagem ou estudo sobre a introdução desses tema em sala de aula é reduzida dentro da pesquisa que realizamos. Foram encontrados dois trabalhos com esse tema: 2.4.1 Trabalho Correlacionado 1: Um estudo sobre a introdução de tópicos de FMC no ensino médio através do tema Raios-X e 2.4.2 Trabalho Correlacionado 2: OA Raios-X. Foram escolhidos

2.4.1 Trabalho Correlacionado 1: Um estudo sobre a introdução de tópicos de FMC no ensino médio através do tema Raios-X

Dentre os trabalhos encontrados, cita-se o trabalho publicado por Adão José de Souza e Mauro Sérgio Teixeira de Araújo, intitulado: “A produção de raios X contextualizada por meio do enfoque CTS (Ciência, Tecnologia e Sociedade): um caminho para introduzir tópicos de FMC (Física Moderna e Contemporânea) no ensino médio” (SOUZA; ARAÚJO, 2010).

No trabalho supracitado, o autor apresenta uma sequência didática visando a inserção de tópicos de Física Moderna para estudantes do Ensino Médio, abordando radiações eletromagnéticas e a produção de raios X, por meio de uma abordagem interdisciplinar com as áreas de Matemática e Biologia (SOUZA; ARAÚJO, 2010). A sequência didática foi aplicada numa turma do 2º ano do Ensino Médio, com cerca de trinta estudantes, em uma escola particular.

O trabalho de Souza e Araújo (2010), também se baseia na Teoria da Aprendizagem significativa de Ausubel. A primeira etapa da sequência descrita foi o levantamento dos conhecimentos prévios (subsunçores) dos estudantes, por meio da aplicação de um questionário com questões relacionadas ao tema raios-X e as radiações do espectro eletromagnético.

A etapa inicial do processo de aprendizagem consistiu em orientar os estudantes a pesquisar e apresentar para toda a classe cinco temas: Espectro eletromagnético, Descoberta dos raios-X, Radioterapia, Efeitos da radiação UV e Fontes naturais de radiação. Após os seminários foi explanado a produção de raios X em uma unidade hospitalar, abordando a radioproteção e a radiografia.

Nas aulas foram utilizados diagramas e OAs disponíveis na internet e também foi elaborado um pôster como recurso didático para abordagem do tema raios X. O laboratório de informática foi utilizado para fazer simulações e animações com a luz nos sites RIVED (http://rived.mec.gov.br), portal do MEC, vinculado à Secretaria de Educação a Distância (SEED), tendo como base de funcionamento a produção de conteúdos pedagógicos digitais na forma de objetos de aprendizagem (SOUZA; ARAÚJO, 2010). No pôster foi abordada a produção dos raios X, com um esboço de uma pessoa sendo radiografada, além de destacado os filmes utilizados para radiografia e detalhes do painel de controle da máquina de raios-X e noções sobre segurança.

Para averiguar a aprendizagem foi utilizado um questionário, denominado questionário prova, composto por dez questões, parte delas sobre os conceitos abordados e outra parte instigando o estudante a responder como vivenciou cada etapa da pesquisa e a opinar sobre a metodologia de ensino empregada. Também foram realizados debates em cima de dois recortes de jornais com notícias relacionadas a falta de segurança no manuseio de aparelhos de raios-X.

Dentre os resultados apresentados, os autores identificaram que inicialmente a maioria dos estudantes conhecem os raios-X, bem como seu uso em diagnóstico médico. Entretanto, quando questionados sobre os procedimentos de como são produzidos os raios X na unidade hospitalar, nenhum estudante sabia como isso se dava, apesar do tema raios X poder ser considerado, em certa medida, como um subsunçor em sua estrutura cognitiva (SOUZA; ARAÚJO, 2010). Com o resultado do segundo questionário, os autores afirmam que os estudantes participaram atentamente das atividades propostas e foram capazes de construir uma satisfatória base de conhecimentos acerca da produção dos raios-X e da radioproteção.

Além disso, também foi exposto no trabalho a habilidade em relação ao manuseio do computador, demonstrada pelos estudantes com o uso de softwares de produção de Raios-X. Os autores acreditam que ferramentas computacionais podem ser empregadas na abordagem de outros tópicos da física moderna e contemporânea,

ampliando o leque de possibilidades na abordagem desses temas nas aulas de Física (SOUZA; ARAÚJO, 2010).

Os resultados apresentados a partir do trabalho de pesquisa de Souza e Araújo (2010) serviram de motivação para a implementação do OA projetado, modelado e desenvolvido a partir da pesquisa que está sendo apresentada neste Trabalho de Conclusão de Curso. Isto relaciona-se ao fato de que nele é descrito uma sequência didática que visa trazer tópicos de Física Quântica se observando o fato que as pessoas conhecem os raios-x, que é o mesmo utilizado para um exame de imagem muito comum, a radiografia.

2.4.2 Trabalho Correlacionado 2: OA Raios-X

Outro trabalho correlacionado de grande importância é o OA desenvolvido por estudantes da equipe Rede Interativa Virtual de Educação (RIVED) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) sob orientação do Professor Silvio Luiz Cunha e se destina a apresentar um pouco sobre a história dos Raios-X, sua natureza, os conceitos físicos fundamentais envolvidos e suas principais aplicações.

O OA foi desenvolvido como uma animação em Flash, da empresa Adobe, que é um formato de arquivo de aplicações WEB conhecido por suportar conteúdo multimídia (ADOBE, 1996). Encontra-se disponível para acesso na rede virtual (internet) um banco de objetos de aprendizagem voltados para o ensino da Física (http://fisica.ufrgs.br/cref/OA/), que faz parte de uma iniciativa conhecida por Rede Interativa Virtual de Educação (RIVED), criada no ano de 2004, pela extinta Secretaria de Educação a Distância (SEED) do MEC, que visava fomentar a criação e utilização de objetos de aprendizagem através de equipes parceiras em diversas universidades do país (REIS; FARIA, 2003).

O OA traz um combinado de textos, simulações e animações que apresentam ao usuário a história dos Raios-X, sua produção, emissão, suas propriedades e aplicações. As opções limitadas disponíveis em cada uma das telas leva o usuário a seguir uma sequência de aprendizagem que parte das explicações mais simples para as mais

complexas. Todas as telas possuem a opção de ajuda, avançar com a sequência ou retroceder.

Após dar início à sequência, a história dos Raios-x é apresentada em formato de texto, conforme exibimos na Figura1. Em seguida, é apresentado um texto e uma animação para explicar como se dá a produção dos raios-X em um tubo de raios catódicos. Então, o usuário pode observar a produção dos Raios-X através de uma simulação. A simulação do tubo de raios-X permite ao usuário alterar os parâmetros de voltagem aplicada ao cátodo e ânodo.

Fonte: http://fisica.ufrgs.br/cref/OA/RaioX/fis_Ativ_RaioX.html.

A tela que contém a simulação é uma das mais ricas no OA, podendo ser vista na Figura 2, pois além de trazer para o estudante uma percepção instantânea do que acontece à medida em que os parâmetros são alterados, ela está organizada de maneira intuitiva.

Fonte: http://fisica.ufrgs.br/cref/OA/RaioX/fis_Ativ_RaioX.html. Figura 1 Tela de introdução do OA Raios-X

Após a simulação do tubo de raios-X, o estudante é levado a uma tela com explicação sobre como se dá a emissão dessa radiação, seguida de uma tela com animações desse processo. A sequência de telas traz também textos, imagens e animações que buscam explicar a natureza da radiação-X, ilustrando algumas de suas propriedades e suas aplicações.

Apesar do OA apresentado trazer uma explanação rica e relativamente completa, nota-se que a interface é carregada de conteúdo em formato de textos de tamanho extenso, como pode ser visto na Figua 1. Isso pode tornar a sequência relativamente tediosa, considerando o público alvo mais jovem. A simulação e as animações apresentadas são ricas, porém algumas informações poderiam ser exibidas, como por exemplo as equações que as regem e seus respectivos resultados para cada mudança de parâmetro.

Então, o OA apresentado nesta seção serviu de base para a definição do OA que este trabalho busca propor, uma vez que aborda o tema de maneira satisfatória do ponto de vista do conteúdo comtemplado. Contudo, os limites e as possibilidades do referido OA foram analisados na hora de listar os requisitos do OA RAX.

2.5 RAIOS-X

Em 1895 na Universidade de Vurtzburgo, Alemanha, Wilhelm Conrad Roöntgen percebeu que em um tubo de raios catódicos a colisão entre os raios catódicos e a parede de vidro do tubo produzia raios de natureza desconhecida, concluindo que os fenômeno observado revelava um novo tipo de radiação (BORGES, 1980). Como se sabia muito pouco sobre esse novo tipo de radiação, ela recebeu o nome de Radiação-X. Dadas as suas propriedades surpreendentes de penetração e absorção, essa radiação permitia por exemplo, fazer a fotografia de uma mão, onde se sobressaia com nitidez sua parte esquelética.

A Radiação-X foi uma das primeiras formas de radiação descobertas. Nos primeiros anos que se seguiram após a descoberta da Radiação-X, especulando sobre sua natureza, alguns cientistas, como George Gabriel Stokes defendiam que os Raios-X

pudessem ser inteiramente explicados através da teoria ondulatória (BORGES, 1980). Outros cientistas, como William Henry Bragg, conferiram aos Raios-X uma natureza corpuscular (BORGES, 1980). Hoje, sabe-se que algumas características da Radiação-X, como a sua difração e interferência, são comuns às ondas, mas a teoria clássica falha em alguns pontos da explicação da produção de Raios-X, sendo necessária a intervenção da Física Quântica.

Fonte: (EISBERG; RESNICK, 1979).

A Figura 3 traz a representação esquemática de um tubo gerador de Raios-X, composto por um cátodo, que usualmente é um filamento de Tungstênio, e um ânodo que é formado por um material muito denso. O cátodo C, quando aquecido pela passagem de uma fraca corrente elétrica, emite elétrons. Como resultado de um diferença de potencial V criada entre o cátodo e o ânodo, esses elétrons são acelerados e formam um feixe, que é freado após atingir o alvo, ânodo A, provocando uma desaceleração forçada nos elétrons (EISBERG; RESNICK, 1979). O resultado desse processo é a emissão de Raios-X.

Cada elétron emitido pelo cátodo, ao ser desacelerado pela interação com o núcleo do alvo, que tem peso mais elevado, perde energia que aparece na forma de radiação como um fóton de Raio-X (EISBERG; RESNICK, 1979). Se o frenamento do elétrons em decorrência da colisão com o ânodo for imediata, toda a sua energia se converterá em Raios-X e o comprimento de onda desses será conhecido como comprimento de onda mínimo, aqui representado por 𝜆𝑚𝑖𝑛 (BORGES, 1980). A Equação 1 traz 𝜆_𝑚𝑖𝑛, onde ℎ é a constante de Planck, 𝑐 é a velocidade da luz no vácuo e 𝑒 a carga do elétron, cujos valores são 6,62 × 10−34_{(𝐽. 𝑠), 3 × 10}−8_{(𝑚/𝑠) e 1,6 ×}

10−19𝐶 respectivamente. O comprimento de onda dos Raios-X é menor que 1,0 Å (ångstron).

𝜆_{𝑚𝑖𝑛 = ℎ𝑐 𝑒𝑉}⁄ = 12,4

𝑉 (1)

Fonte: (BORGES, 1980).

Para cada valor de energia cinética inicial há um 𝜆_𝑚𝑖𝑛 bem definido, que é indiferente ao tipo do material, e depende apenas da diferença de potencial 𝑉 aplicada (BORGES, 1980). A Figura 4 traz o espectro contínuo de Raios-X para quatro valores distintos 𝑒𝑉. Com o aumento da diferença de potencial 𝑉 aplicada entre o cátodo e o ânodo, a intensidade da radiação emitida aumenta e o valor de 𝜆_𝑚𝑖𝑛 decresce.

Na maioria das vezes é preciso mais de uma colisão para que a energia cinética de um elétron seja totalmente dissipada, resultando na emissão de Raios-X com comprimento de onda superior a 𝜆_𝑚𝑖𝑛. Sabendo que a energia total do fóton é dada pela Equação 2, envolvendo a relação da frequência 𝑣 do fóton com a constante de Planck. E sabendo que a frequência 𝑣 pode ser obtida pela Equação 3, onde 𝑐 é a velocidade da luz no vácuo, podemos escrever 𝐾 como sendo a energia cinética para o elétron antes da interação com o núcleo e 𝐾′ _{como sendo a energia cinética do elétron após a colisão,} então expressamos a energia do fóton de Raio-X através da Equação 4. Essa forma de produção do espectro contínuo de Raios-X é conhecida como processo de

bremsstrahlung e seu esquema pode ser visto na Figura 5 (EISBERG; RESNICK, 1979). 𝐸 = ℎ𝑣, (2) 𝑣 =𝑐 𝜆, (3) ℎ𝑣 = 𝐾 − 𝐾′ → ℎ 𝑐 𝜆⁄ = 𝐾 − 𝐾′_{. (4)}

Fonte: (EISBERG; RESNICK, 1979).

Outra maneira de obter os Raios-X é através da radiação característica que resulta do impacto direto do elétrons disparados do cátodo com os elétrons dos átomos do ânodo (BORGES, 1980). Se a energia do elétron acelerado for suficiente, um dos elétrons de uma órbita interna no átomo do elemento bombardeado pode ser expulso. Esse átomo torna-se instável e um dos elétrons das camadas mais externas desse átomo pode ocupar a lacuna eletrônica deixada, e esta energia é irradiada (BORGES, 1980). O comprimento de onda dessa radiação característica é definido na Equação 5, onde 𝐸 é a energia liberada em decorrência da diferença das energias associadas aos níveis energéticos, inicial e final, do elétron deslocado dentro do átomo, o que varia de elemento para elemento (BORGES, 1980). Assim, o comprimento de onda depende da natureza do elemento gerador da Radiação-X. A Figura 6 ilustra o espectro de emissão característico para um ânodo metálico, para uma dada diferença potencial entre ele e o cátodo. Dois picos são associados a transição discreta entre da camada L para K e a camada M para K, denotados por 𝐾_𝛼 e 𝐾_𝛽 respectivamente.

𝑣 = ℎ𝑐/𝐸 (5)

Fonte: (BORGES, 1980).

Os raios-X tem grande poder de penetração, por isso não são detidos por barreiras materiais sendo capazes de sensibilizar filmes fotográficos e radiográficos. Tirando vantagem dessas propriedades o setor industrial e a medicina, utilizam a Radiação-X em larga escala, um exemplo disso é o diagnóstico por imagens radiográficas. Acreditamos que tomando como ponto de partida essa aplicação tão conhecida da Radiação-X, podemos estabelecer uma “ancoragem” entre os conceitos da Física Quântica utilizados para explicar a produção dos Raios-X e conceitos subcunçores da estrutura cognitiva dos estudantes, contribuindo para a promoção da aprendizagem significativa.

2.6 ENGENHARIA DE SOFTWARE E FERRAMENTAS

No processo de produção de software usualmente são aplicadas técnicas de engenharia de software para garantir eficiência na implementação e qualidade do produto. Normalmente, é feito o levantamento de requisitos do sistema e em seguida a modelagem do mesmo, através de diagramas representativos com padrões bem definidos (SOMMERVILLE, 2007).

Os requisitos de um sistema são os serviços que o cliente requer para o sistema e as restrições sob as quais ele opera e é desenvolvido (SOMMERVILLE, 2007). Requisitos podem variar de uma declaração abstrata de alto nível de um serviço ou de

uma restrição de sistema para uma especificação matemática funcional. Os requisitos podem ser funcionais, quando especificam os serviços que o sistema deve fornecer, como o sistema deve reagir a entradas específicas e como o sistema deve se comportar em determinadas situações (SOMMERVILLE, 2007). Requisitos não funcionais são restrições sobre serviços ou funções oferecidas pelo sistema tais como restrições sobre o processo de desenvolvimento, padrões, etc.

O processo de desenvolvimento do software propriamente dito é feito através de ferramentas e ambientes de desenvolvimento que devem ser escolhidos levando em consideração as funcionalidades do sistema. Há ainda o processo de validação do produto onde devem ser aplicados testes de funcionalidades, usabilidade, dentre outros. A ordem em que essas fases do desenvolvimento do software são executadas pode ser de maneira sequencial ou até mesmo paralela, ou cada uma dessas fases pode ser dividida e executada de maneira alternada. As fases de desenvolvimento de software podem ser executadas de diferentes maneiras a depender das condições do projeto, incluindo os recursos humanos e financeiros (SOMMERVILLE, 2007).

Existem diversas metodologias para gerenciamento de projetos e desenvolvimento de software, que definem como e quando as fases de desenvolvimento de software devem ser executadas, e escolhidas de acordo com a realidade em que o projeto está sendo concebido. No restante desde tópico serão descritas as ferramentas escolhidas para a apoiar a modelagem e desenvolvimento do OA RAX.

2.6.1 Unifield Modelage Language (UML)

Na área de desenvolvimento de software orientados a objeto, onde os desenvolvedores criam blocos de código (objetos) que podem ser reutilizados em outros aplicativos, as mudanças são constantes e é difícil desenvolver e administrar aplicativos de alta qualidade em um período de tempo razoável.

A Linguagem de Modelagem Unificada (do inglês Unified Modeling Language - UML), por exemplo, surgiu devido a necessidade de uma linguagem universal de modelagem de software que pudesse ser usada por todas as empresas a fim de facilitar a modelagem, desenvolvimento e administração de softwares desenvolvidos com

linguagens de programação orientadas a objeto (BOGGS; BOGGS, 2002). Assim, a UML é o padrão de mercado em notação de modelagem para sistemas orientados a objeto, que oferece um sistema de notação gráfica para vários aspectos do sistema através de diferentes tipos de diagramas. A UML vem sendo constantemente modificada para incorporar novas ideias e tecnologias.

A UML oferece diagramas de comportamento e diagramas de estrutura, os primeiros são de um nível elevado e se destinam a compreensão das funcionalidades do sistema, enquanto diagramas de estrutura são mais detalhados, incluindo classes e componentes específicos que serão construídos na implementação do software (BOGGS; BOGGS, 2002). Esses diagramas são úteis no momento de construção do sistema e no caso de alterações posteriores, pois os desenvolvedores podem consultar os diagramas para compreender o que precisa ser construído ou como modificar o sistema de maneira mais eficiente.

Dentre os diagramas oferecidos pela UML, foram escolhidos um diagrama de comportamento e um diagrama de estrutura para fazer a modelagem do OA RAX, são eles: Diagrama de Casos de Uso e Diagrama de Classes.

2.6.2 Diagrama de Casos de Uso

Um diagrama de casos de uso é uma representação gráfica em alto nível do escopo do sistema, que demonstra o que o sistema faz e quem interage com ele. Em outras palavras, os diagramas de casos de uso mostram os requisitos do sistema e devem ser criados em conjunto com um representante do usuário final, uma vez que possuem um caráter direto e não-técnico (BOGGS; BOGGS, 2002). Para representar integralmente um sistema podem ser criados mais de um diagrama de casos de uso.

Existem duas entidades fundamentais em um diagrama de casos de uso: os atores e os casos de uso. Um ator, representado por um boneco, pode ser a representação de uma pessoa ou de um outro sistema que forneça ou receba informações ao sistema modelado. Os casos de uso, representados por uma figura oval, são partes de funcionalidades que o sistema fornecerá para os atores. Tanto atores quanto casos de uso recebem nomes. Normalmente os casos de uso são nomeados no formato <verbo><nome>, como “iniciar simulação”.

Segundo Boggs e Boggs (2002), relacionamentos entre os atores e os casos de uso devem ser adicionados ao diagrama, podendo ser de comunicação, inclusão, extensão e generalização. Na primeira linha da Figura 7 é exemplificado um relacionamento de comunicação, aonde o ator inicia o caso de uso, também podendo ser o oposto, ou seja, o caso de uso se comunica com o ator. O relacionamento de inclusão, segunda linha da Figura 7, ilustra casos aonde a execução de um caso de uso inicia a execução de outro. O relacionamento de extensão, terceira linha da Figura 7, ilustra quando um caso de uso estende a funcionalidade proporcionada pelo outro, o que pode ser usado pra mostrar que uma parte de um caso de uso é um comportamento opcional ou só é executado em determinadas condições.

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Na Figura 8 é representado o relacionamento de generalização que pode ocorrer entre atores e casos de uso, indicando que um herda as características do outro.

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002)

Figura 7 Relacionamentos de comunicação, inclusão e extensão.

2.6.3 Diagrama de Classes

Um diagrama de classes mostra os relacionamentos entre as classes que implementam os casos de uso de um sistema (BOGGS; BOGGS, 2002). Para representar integralmente um sistema podem ser criados mais de um diagrama de classes. Por serem mais específicos, os diagramas de classes servem de base para os desenvolvedores, tanto no desenvolvimento de software quanto na manutenção dele.

Cada classe é representada por um retângulo dividido em três seções: nome, atributos e operações. A Figura 9, ilustra o padrão gráfico para representação de uma classe, o nome da classe ocupa a primeira linha, enquanto atributos e operações ocupam os compartimentos seguintes.

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Os atributos de uma classe são informações associadas a ela, por exemplo, uma classe que executa o cadastro de usuário contém atributos como nome e data de nascimento (BOGGS; BOGGS, 2002). Atributos que podem ser acessados por outras classes são denominados públicos e representados pelo símbolo +. Atributos que podem ser acessados somente pela própria classe são denominados privados e representados pelo símbolo -. Os atributos que podem ser acessados pela própria classe e seus descendentes é denominado protegido e é representado por #. Os atributos também podem ser visíveis apenas para classes dentro de um mesmo pacote, nesse caso denominados package e representados por ~.

As operações de uma classe, também chamadas de métodos, são funções que o objeto pode executar, que usualmente manipulam atributos da própria classe ou de outras classes, a partir de informações repassadas (BOGGS; BOGGS, 2002). Assim como os atributos, as operações podem ser públicas, privadas, protegidas ou apenas visíveis a classes de um mesmo pacote. Sua nomenclatura normalmente indica uma

ação e pode conter argumentos, que são os dados de entrada de uma operação devendo ser indicados entre parênteses.

As classes de um diagrama podem ser agrupadas em pacotes, representados na Figura 10. Usualmente as classes são agrupadas de acordo com suas funcionalidades, como por exemplo, classes responsáveis por gerenciar a parte gráfica do sistema podem ser agrupadas em um pacotes específico para este tipo de classe.

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Segundo Boggs e Boggs (2002), os relacionamentos entre as classes podem ser de cinco tipos:

 Associação: quando duas classes trocam “mensagens”, o que pode ser de maneira bidimensional ou unidimensional. Esta relação é representada por uma linha simples ou com setas nas extremidades, indicando a direção da navegação (Figura 11).

 Dependência: quando os objetos de uma classe usam serviços dos objetos de outra classe, e a alteração na especificação de um elemento pode acarretar na mudança da especificação do outro. Esta relação é unidirecional e representada por setas tracejadas.

 Agregação: relaciona um conjunto e suas partes. É representada por uma linha com um losango junto a classe que representa um conjunto (Figura 12).

 Realização: conecta uma interface visível publicamente (classes de interface ou casos de uso) à implementação da interface (realização da classe, pacote ou caso de uso). Esse relacionamento pode ser representado como uma linha que liga a classe a um círculo, representando a interface, ou uma linha tracejada ligando um pacote a uma classe, e um triângulo próximo a classe (Figura 13).

 Generalização: exibe um relacionamento de herança aonde uma classe herda atributos, operações e relacionamentos de outra. É representado por uma seta da classe filha para a classe pai (Figura 14).

Os diagramas de classes possuem características e componentes mais detalhados que não foram utilizados na modelagem do OA RAX e por isso não serão descritos nesta seção.

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002).

Fonte: (BOGGS; BOGGS, 2002). Figura 11 Relação de associação.

Figura 12 Relação de agregação.

Figura 13 Relação de realização.

2.6.4 Java e API Java 2D

Java é uma linguagem de Programação Orientada a Objetos muito utilizada em todo o mundo. É uma linguagem de programação de alto nível, além de disponibilizar uma grande coleção de classes, através da biblioteca de classes do Java, também conhecida como Java APIs (Java Applications Programming Interfaces) (DEITEL; DEITEL 2010).

O Java 2D é uma API de desenho implementada como uma extensão do Abstract Window Toolkit (AWT), e é normalmente utilizada com a extensão Swing, também do AWT. Segundo Deitel e Deitel (2010), o Java 2d oferece as seguintes funcionalidades:

 Um modelo uniforme de desenho para primitivas geométricas (retângulos, elipses, curvas), junto com mecanismos para se desenhar qualquer forma geométrica.

 Gráficos bidimensionais, texto e recursos de imagens para programas Java.  Classes para manipulação uniforme dos principais formatos de imagem.  Mecanismo para detectar a colisão de objetos, como textos e imagens.

 Um modelo de composição que fornece controle sobre como os objetos são processados. Além de diretivas para controlar a qualidade do desenho através da renderização.

 Suporte de cor aprimorada, que facilita o gerenciamento de cores.

Com isso, o Java 2d se torna uma ferramenta muito útil para criação de softwares que necessitam de recursos de interface gráficas mais avançadas, como jogos e simulações. A API Java 2d foi utilizada no desenvolvimento do OA RAX por tornar o processo de desenvolvimento mais simples e garantir bons resultados.

3 METODOLOGIA

O desenvolvimento do trabalho proposto deve ser feito contendo etapas usuais para o desenvolvimento de software, e etapas necessárias, do ponto de vista pedagógico, para a produção de um instrumento educacional. A interface gráfica do software bem como sua usabilidade de design e usabilidade pedagógica serão consideradas como requisitos principais e todo o processo de desenvolvimento deverá se apoiar nos fundamentos teóricos já apresentados. As etapas necessárias para a elaboração do OA RAX são descritas a seguir.

3.1 COMPREENSÃO DOS CONCEITOS DA FÍSICA MODERNA

Esta etapa é importante para entender o contexto geral onde se insere o Objeto de Aprendizagem proposto, buscando o entendimento dos fundamentos básicos da Física Quântica a serem empregados. Além disso, uma correta compreensão do fenômeno que se deseja representar, foi conseguida através do estudo da natureza dos Raios-X e sua produção, bem como as equações que regem este experimento.

3.2 LEVANTAMENTO DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA O DESENVOLVIMENTO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM

Nesta etapa levantamos os requisitos do software a ser desenvolvido, levando em consideração a maneira como se deseja representar o fenômeno abordado. Foram especificados quais parâmetros eram necessários, além da definição dos parâmetros que seriam manipulados pelo estudante. Também definimos o aspecto visual para o sistema, considerando imagens de tubo de Raio-X e simulações já feitas desse experimento. Inicialmente, por limite de tempo, não foram levantados requisitos de acessibilidade ou de caráter inclusivo a deficientes, mas estes requisitos poderão ser considerados nos

trabalhos futuros. Esta etapa contou com a ajuda de um professor de Física do Ensino Médio, que teve a função de um cliente, listando as funcionalidades.

3.3 MODELAGEM DO OBJETO DE APRENDIZAGEM

Nesta etapa construímos os modelos que explicam as características e o comportamento do software com base na especificação de requisitos, incluindo uma modelagem matemática com as fórmulas uteis a simulação. Após o levantamento dos requisitos foi elaborado um modelo de telas, utilizando o software Adobe Illustrator, que é um editor de imagens vetoriais (ADOBE, 2015). A modelagem do sistema foi feita com base na UML, através da elaboração de um diagrama de casos de uso e de um diagrama de classes. Esses diagramas foram elaborados considerando o conjunto de requisitos listados para o OA RAX. Levando em consideração o tamanho do sistema e o calendário disponível, decidimos que apenas o diagrama de casos de uso e de classes bastariam para uma representação que servisse de base a implementação do OA.

3.4 DESENVOLVIMENTO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM

Depois de ter seus requisitos definidos e sua modelagem completa, iniciamos o processo de implementação do software proposto. Inicialmente foi feita a escolha das tecnologias a serem utilizadas. De posse da modelagem do OA RAX, foi decidido que o Java seria a linguagem de programação utilizada e a API Java 2D também deveria ser usada afim de facilitar a implementação da simulação. O ambiente de programação utilizado foi o Netbeans IDE (https://netbeans.org/features/index.html), pois este facilita o desenvolvimento de telas com interface gráfica e é totalmente integrado com a extensão Swing.

Esta foi uma das etapas mais longas e complexas, incluindo não só o desenvolvimento mas também a realização de testes funcionais. A cada avanço na implementação do software, as funcionalidades eram testadas e a interface validada

parcialmente, pelo professor coautor e com base no feedback foram feitas alterações até que todas as funcionalidades previstas estivessem implementadas.

3.5 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO OBJETO DE APRENDIZAGEM

Segundo Sommerville (2007), verificação e validação de um software é o processo pelo qual um programa desenvolvido deve passar a fim de verificar se ele atende a sua especificação e atende as funcionalidades esperadas pelas pessoas que solicitaram seu desenvolvimento. Ainda segundo Sommerville (2007), o papel da verificação é verificar se o software está de acordo com as funcionalidades especificadas, enquanto o papel da validação é assegurar que o sistema desenvolvido atende as expectativas do cliente. Assim, nesta etapa foi feita a verificação do software desenvolvido no que diz respeito ao atendimento dos requisitos e funcionalidades propostos pela sua modelagem e a validação do software como Objeto de Aprendizagem, tanto no que diz respeito a usabilidade em termos de interface quanto a sua usabilidade pedagógica.

A fim de promover a verificação do OA RAX, foram elaborados casos de testes baseando-se no levantamento de requisitos e no diagrama de casos de uso desenvolvido. O processo de validação do OA RAX incluiu a verificação de que ele atende aos requisitos necessários para a classificação de uma entidade digital como um OA. Para isso, foi elaborado um questionário, disponível no Apêndice D, para o professor coautor, a fim de obter a sua opinião, de maneira mais formal, em relação a algumas das características que um OA deve apresentar, citadas no Item 2.1. Também foi verificado junto ao professor coautor se havia clareza na descrição de conteúdos e nas ilustrações, além da qualidade do conteúdo de Física Quântica transmitida, para garantir que o OA não contém erros teóricos.

O OA RAX foi aplicado em ambiente real de ensino, fazendo parte de uma sequência didática proposta pelo professor coautor em uma turma de terceiro ano do ensino médio. Assim, foi realizada uma pesquisa de campo através de dois passos: no primeiro deles o programa foi apresentado e utilizado pelos participantes, mediante a presença do professor de Física e seguindo o cronograma de ensino, a fim de garantir que os conceitos base para a assimilação dos conceitos apresentados pelo objeto de

aprendizagem já tivessem sido passados à turma; no segundo passo da pesquisa foi realizada uma entrevista, através de um questionário, para os estudantes avaliarem o software no que diz respeito a interface gráfica e a sua eficácia como ferramenta auxiliar na introdução de conceitos de Física Quântica. Sobre o esquema metodológico utilizado nesta parte da pesquisa, fizemos considerações importantes nos subitens a seguir.

3.5.1 Campo e Sujeitos da Pesquisa

Tanto o Campo da pesquisa quanto o perfil do sujeito da pesquisa foram decididos em conjunto com o professor coautor. Como o OA proposto visa potencializar a aprendizagem de tópicos de Física Quântica para estudantes do Ensino Médio, o cenário escolhido para a pesquisa de verificação e validação do OA RAX foi um colégio voltado para o Ensino Médio e que faz parte da rede pública de ensino de Feira de Santana, sendo uma das maiores escolas da cidade. Foi escolhida uma turma do terceiro ano do Ensino Médio desta escola para a aplicação da pesquisa. A turma selecionada é composta por cerca de 32 estudantes, com idade entre 16 e 19 anos.

3.5.2 Tipo de pesquisa e técnicas para o levantamento de dados

O estudo foi orientado sob uma perspectiva qualitativa e ao mesmo tempo quantitativa. A abordagem quantitativa inclui a operacionalização e a mensuração acurada, muitas vezes desconsiderando o contexto, além da capacidade de fazer comparações entre grupos e examinar associações (DAL-FARRA; LOPES, 2013). Já a abordagem qualitativa aprofunda-se no mundo dos significados, das ações e relações humanas, um lado não perceptível e não captável em equações, médias e estatísticas, o que pode resultar em análises mais profundas (MINAYO et al., 2001).

Segundo Dal-Farra e Lopes (20013), a conjugação de elementos qualitativos e quantitativos contribui de forma significativa para as pesquisas na área da Educação, ampliando a obtenção de resultados, e considerando a profusão de informações de diferentes origens a que são submetidos os estudantes. A coleta de diversos tipos de