UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA – UEFS
FELIPE PINHEIRO DE OLIVEIRA
BSKP: UM OBJETO DE APRENDIZAGEM VOLTADO PARA O ESTUDO DA ESTRUTURA DE BANDAS EM SÓLIDOS UNIDIMENSIONAIS A PARTIR DO
MODELO DE KRONIG-PENNEY.
FEIRA DE SANTANA 2015
BSKP: UM OBJETO DE APRENDIZAGEM VOLTADO PARA O ESTUDO DA ESTRUTURA DE BANDAS EM SÓLIDOS UNIDIMENSIONAIS A PARTIR DO
MODELO DE KRONIG-PENNEY.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana.
Orientadora: Profa. Gabriela Ribeiro Peixoto Rezende Pinto Co-orientador: Prof. Antônio Vieira de A. Neto
FEIRA DE SANTANA 2015
Dedico esta monografia a meus pais, Fernando Barreiros e Eliana Pinheiro, que me deram todo o apoio necessário na conquista dos meus objetivos, com seus conselhos e exemplos de honestidade.
Dedico meus sinceros agradecimentos para:
- Deus, acima de tudo, pois sem ele nada seria possível.
- Toda a minha família, em especial a meus pais Fernando e Eliana, meus avós Aurélio, Giudete e Valdete (in memorian), minha madrinha Vilma (in memorian), pelo apoio, carinho e companheirismo em todos os momentos de minha vida.
- Meus colegas de curso, os quais passamos momentos únicos durante esses anos de graduação, cuja amizade pretendo preservar pelo resto da vida
- Bianca, que esteve ao meu lado em todos os momentos que passamos dentro e fora do curso durante este período.
- Profa. Gabriela Rezende, que me orientou e me apoiou durante o período de
desenvolvimento de meu trabalho de conclusão de curso, com seus conselhos e sugestões sempre com o objetivo de enriquecimento de meu trabalho.
- Prof. Antônio Neto, que atuou como co-orientador deste trabalho, ao aluno do mestrado de Física, Gustavo, que me ajudaram a formalizar conceitos de Física Quântica que envolveram este trabalho.
- Todos os professores que compõem o curso de Engenharia de Computação da UEFS, curso este, que me orgulho de fazer parte de sua história, em especial a Prof. Delmar Broglio, por ter me dado a oportunidade de trabalhar ao seu lado durante quase dois anos em projetos de Iniciação Científica.
- Os professores participantes da pesquisa que contribuíram com seus conhecimentos para o enriquecimento do trabalho.
"Se você quer chegar onde a maioria não chega, faça aquilo que a maioria não faz."
Este relatório apresenta o desenvolvimento do Trabalho de Conclusão de Curso que aborda a implementação do Objeto de Aprendizagem BSKP – Band Struct Kronig-Penney para funcionar como um auxílio no processo de ensino-aprendizagem a alunos e professores do Ensino Médio, o assunto de estruturas de bandas nos sólidos, que está inserido na Física Quântica. O BSKP é responsável por simular o modelo de Kronig-Penney, explicando a formação das bandas nos sólidos. O BSKP foi desenvolvido no formato de software, ele permite que o usuário entre com os parâmetros, permitindo-o visualizar os efeitos que ocorrem com as bandas nos átomos dos sólidos.
This paper intends to show the development of a TCC, it describes the Learning Object BSKP – Band Struct Kronig-Penney implementation to works as a supporter in the teaching-learning proccess of the subject Band Struct, for students and teacher in high school, this subject is a part of Quantum Physics’ theory. The BSKP is a simulator of Kronig- Penney model, it explain the bands formation in solids, to explain the Photovoltaic Effect. The BSKP has a software format, the users can give the paramters and they can visualize the effects in the atoms bands struct in the solids.
Figura 1. Elementos de Diagrama de Casos de Uso ...19
Figura 2. Exemplo de Diagrama de Classes ...19
Figura 3. Modelo Cascata...22
Figura 4. Célula Fotovoltaica...24
Figura 5. Bandas Permitidas e Proibidas...25
Figura 6. Potencial de Kronig-Penney...25
Figura 7. Plotagem gráfica da equação 01...26
Figura 8. Diagrama de Casos de Uso...37
Figura 9. Diagrama de Classes...37
Figura 10. Modelo de Telas...38
Figura 11. MousePressed...39
Figura 12. MouseDragged...40
Figura 13. MouseReleased...40
Figura 14. Alteração na Quantidade de Átomos...41
Figura 15. RefreshChart...41
Figura 16. Poço...42
Figura 17. Linhas...42
Figura 18. Tela de Simulação do Objeto de Aprendizagem...44
Figura 19. Teste: adicionar átomo...45
Figura 20. Fluxo de testes, acrescentar átomo...46
Figura 21. Teste: alterar largura do poço...47
Tabela 1. Multiplicidade nas Associação entre Classes...21 Tabela 2. Cenários de Teste: acrescentar átomo...46 Tabela 3. Cenário de Teste: Largura do Poço...48
OA TIC SBF FMC XP UML API MVC TCLE Objeto de Aprendizagem
Tecnologias de Informação e Comunicação Sociedade Brasileira de Física
Física Moderna e Contemporânea Extreme Programming
Unified Modeling Language
Application Programming Interface Model-View-Control
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA ... 9 1.3 OBJETIVOS ... 11 1.3.1 Objetivo Geral ... 11 1.3.2 Objetivos Específicos ... 11 1.4 JUSTIFICATIVA ... 11 1.5 LIMITAÇÕES DA PESQUISA ... 13 1.6 ESTRUTURA DO PROJETO ... 13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14 2.1 INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO ... 14 2.2 OBJETOS DE APRENDIZAGEM ... 14 2.3 SIMULAÇÃO ... 15 2.4 ENGENHARIA DE SOFTWARE ... 17 2.4.1 Identificação de Requisitos ... 17 2.4.3 Processo de Software ... 21 2.5 A FÍSICA QUÂNTICA ... 22 2.5.1 Efeito Fotovoltaico ... 23
2.5.2 Estrutura de Bandas de Energia nos Sólidos ... 24
2.6 TEORIA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA - DAVID AUSUBEL ... 27
2.7 TRABALHOS CORRELATOS ... 27
3 METODOLOGIA ... 29
3.1 ETAPA 1: PESQUISA BIBLIOGRÁFICA ... 29
3.2 ETAPA 2: COMPREENSÃO DOS CONCEITOS DO EFEITO FOTOVOLTAICO: ESTRUTURA DE BANDAS NOS SÓLIDOS E SEMICONDUTORES ... 30
3.3 ETAPA 3: MODELAGEM DO OA ... 30
3.4 ETAPA 4: DESENVOLVIMENTO DO OA ... 30
3.4.1 Escolhas Tecnológicas ... 31
3.5 ETAPA 5: VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO OA ... 32
3.6 ETAPA 6: ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 32
3.7 QUESTÕES DE ÉTICA NA PESQUISA CIENTÍFICA ... 32
3.7.1 Benefícios para os sujeitos ... 33
3.7.2 Benefícios para a sociedade ... 33
4.1 COMUNICAÇÃO ... 35 4.2 PLANEJAMENTO ... 36 4.3 MODELAGEM ... 36 4.4 CODIFICAÇÃO ... 39 4.5 FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE ... 42 4.5.1 Aplicações ... 42 4.5.2 Funcionamento da simulação ... 43 4.6 CENÁRIOS DE TESTE ... 45
4.6.1. Acrescentar o número de átomos na simulação ... 45
4.6.2. Alterar a largura do poço ... 46
4.7 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO ... 48
4.7.1 Quanto às funcionalidades solicitadas ... 48
4.7.2 Quanto à sua aplicação para o ensino-aprendizagem de Física ... 49
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 51
5.1 TRABALHOS FUTUROS ... 53
1 INTRODUÇÃO
A Física é uma disciplina que permite tratar o estudante como agente ativo na produção de seu próprio conhecimento. A história do ensino da Física tem mostrado que a experimentação é parte essencial do método científico. Porém, geralmente, a disciplina de Física é ministrada da maneira tradicional, onde o professor atua como um expositor e gerador de questões, sendo o principal ator no processo de ensino-aprendizagem (TRENTIM; TAROUCO, 2002).
Segundo Fiolhais (2002), grande parte dos estudantes tem dificuldades na compreensão dos fenômenos físicos. Se esses fenômenos são explicados somente por meio de aulas tradicionais (professor como agente do processo de aprendizagem), o estudante terá dificuldades em visualizar como eles acontecem realmente. Quando esses fenômenos físicos são apresentados de forma experimental, podem visualizar todo o processo, facilitando seu aprendizado e a resolução de problemas em situações reais, trazendo-o para mais próximo da Física e despertando um possível interesse pela disciplina.
O ensino tradicional da Física para os estudantes do ensino médio tem se mostrado um grande desafio para os professores que ministram esta disciplina. Um dos motivos, relaciona-se ao fato da Física relaciona-ser considerada uma disciplina difícil pela maioria dos estudantes, ocasionando em uma falta de interesse em aprender os conhecimentos previstos e em um elevado número de reprovações.
Verifica-se, assim, a grande dificuldade que os estudantes têm na aprendizagem da Física (FIOLHAIS; TRINDADE, 2002). Isto se agrava, na sociedade contemporânea, quando se considera a limitação que existe em se ministrar aulas que envolvam a Física Quântica. A maioria das escolas ainda não consideram no currículo, ou apenas introduzem, o conhecimento a respeito da Física Quântica, atendo-se apenas ao ensino da Física Clássica (OLIVEIRA, 2011).
Um dos temas tratados pela Física Quântica é o Efeito Fotovoltaico. Este efeito é o que acontece quando ocorre a geração de uma tensão elétrica ao se incidir luz em um material semicondutor. É o princípio usado na geração de energia elétrica por meio da energia solar que incide nas placas solares. Este assunto, assim como os demais que compõem o estudo da Física Quântica, é bastante complexo para ser abordado em escolas de nível médio ((EISBERG; RESNICK, 1979).
O Efeito Fotovoltaico está ligado ao estudo da Estrutura de Bandas nos Sólidos. Esses conceitos explicam as forças que mantêm os átomos juntos em um sólido e os níveis de energia
permitidos dos elétrons em um sólido. Por isso a importância em se estudar esses dois assuntos em conjunto, relacionando desde a formação das bandas nesses materiais até a geração de energia elétrica a partir do Efeito Fotovoltaico.
Na educação, assim como em outras áreas, as Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) também podem estar presentes, com o objetivo de motivar cada vez mais os estudantes a buscarem novos meios de aprendizagem. Com o avanço da tecnologia, o acesso às TIC tem se tornado cada vez mais comum, possibilitando o uso dessas ferramentas como um auxílio na aprendizagem dos estudantes.
As TIC podem ser utilizadas para contornarem o problema da aprendizagem da Física para o estudante do ensino médio. Isso se tornou possível por meio das variadas TIC que estão disponíveis hoje. Encontra-se atualmente apoiando o processo educacional vídeos, jogos, aplicativos móveis, softwares em geral etc. (FABRE; TAMUSIUNAS; TAROUCO, 2003).
Quando se trata do uso de TIC no âmbito educacional, o conceito de Objeto de Aprendizagem (OA) vem se destacando. Para Tarouco (2004), OA é definido como materiais educacionais que servem para apoiar o processo de ensino-aprendizagem. O objetivo de um OA é ampliar as possibilidades de apreensão do conhecimento pelo estudante, tornando-os atores em seu processo de aprendizagem (BORBA, 2001). Uma das possibilidades ao se utilizar um OA é o de tornar determinada disciplina mais interessante para o estudante, por utilizar recursos multimídia que permitem uma maior interatividade.
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA
A ideia de inserir o ensino da Física Moderna e Contemporânea (FMC) já no ensino médio e fundamental vem sendo apresentada em diversos trabalhos científicos, além da Sociedade Brasileira de Física (SBF) demonstrar preocupação para que essa ideia vire realidade. Por se tratar de um assunto complexo, ferramentas computacionais vêm sendo bastante aceitas, trazendo dinamismo e interatividade à medida que os cálculos são computados e exibidos de forma lúdica para o estudante, tornando os conteúdos mais intuitivos (CUNHA; GOMES, 2012).
A história do ensino da Física mostra que a experimentação é parte essencial do método científico. A experimentação desperta um forte interesse dos estudantes, tornando o ensino da disciplina algo motivador e lúdico. Muitos professores ainda dizem que a experimentação aumenta a capacidade de aprendizado (GIORDAN, 2003).
Todavia, o número de TIC voltadas para o ensino-aprendizagem de FMC ainda é muito pequeno, e muitas vezes os que existem não são utilizados. Isto acontece devido a diversos fatores, tais como: a produção desse conteúdo educacional consumir muito tempo, a falta de pessoas da área de computação para desenvolverem esse tipo de ferramenta, a falta de experiência dos professores ou até mesmo pela dificuldade em encontrar esse tipo de material.
Para se estimar o tempo de produção de um OA, pode-se utilizar a estratégia proposta por Lou Russel, ela considera três fatores: experiência, aspectos inerentes ao projeto e fatores ambientais (TAROUCO; KORATH; CARVALHO; AVILA, 2006). No fator experiência, existe a relação do conhecimento do desenvolvedor do OA a respeito das tecnologias utilizadas e do conteúdo a ser abordado, quanto maior esse conhecimento, mais rápido o OA poderá ser produzido. Quanto aos aspectos inerentes ao projeto e fatores ambientais, o uso de ambiente de autoria com ferramentas de alto nível em termos de geração de programação são bastante utilizadas atualmente, a ideia é a de utilizar sempre as ferramentas mais atuais para que possam auxiliar o desenvolvedor nesse processo.
Pela grande demanda de OA para apoiar o processo de ensino-aprendizagem dos temas da FMC, há sempre espaço para desenvolvedores que estejam interessados em produzirem esse tipo de ferramenta, pois quando o OA utiliza algum tipo de tecnologia, como a programação, ela exige certo conhecimento técnico de profissionais da área. Pela escassez de profissionais que se proponham a se dedicar a este tipo de projeto, muitas áreas do conhecimento ainda se encontram carentes desses recursos.
Uma situação que pode ocorrer é a do OA que o educador necessita estar disponível para ele, porém ele não possuir conhecimento suficiente sobre a ferramenta. Por esta razão, é importante um processo de formação, ou algo mais interativo, que possa instruí-lo no seu uso, como um tutorial ou informações das ações a serem realizadas ao longo do processo.
Alguns educadores e estudantes têm dificuldade em encontrar OA que possam ser utilizados para exemplificar determinado assunto. Existem alguns bancos de objetos de aprendizagem na internet que se propõem a categorizar as ferramentas por área de conhecimento e assunto, para facilitar a busca do usuário. Um deles foi criado pelo próprio Ministério da Educação e está hospedado no link http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/.
A Estrutura de Bandas nos Sólidos pode ser um atrativo para tornar a Física uma disciplina mais interessante na visão dos estudantes e fazer com que a Física Quântica possa ser ministrada de uma maneira mais receptiva e efetiva. Isto se deve ao fato dela conseguir explicar o comportamento interno do sólido para que ocorra a geração de energia elétrica por meio da incidência de luz.
Levar um assunto como o Estrutura de Bandas nos Sólidos para a sala de aula é um desafio, devido à sua complexidade. Por esta razão, pergunta-se: que limites e possibilidades estão atrelados ao uso de um Objeto de Aprendizagem, denominado BSKP (Band Struct Kronig-Penney), que foi elaborado com o intuito de potencializar o processo de ensino-aprendizagem do conceito de Estrutura de Bandas?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
O objetivo principal da pesquisa é o desenvolvimento de um software, o Objeto de Aprendizagem BSKP (Band Struct Kronig-Penney), para potencializar o processo de ensino-aprendizagem, para professores e estudantes do ensino médio, sobre o assunto Estrutura de Bandas nos Sólidos, utilizando o modelo de Kronig-Penney como representação.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Compreender os conceitos relacionados à Estrutura de Bandas nos Sólidos.
• Identificar Objetos de Aprendizagem que possam apoiar a aprendizagem do Efeito Fotovoltaico.
• Levantar os requisitos do BSKP. • Modelar o BSKP.
• Identificar tecnologias para o desenvolvimento do BSKP. • Preparar o ambiente de desenvolvimento.
• Desenvolver o BSKP.
• Verificar e Validar o BSKP.
1.4 JUSTIFICATIVA
Um dos motivos da escolha do tema desta pesquisa foi o pequeno número de OA disponível, que se propõem a abordá-lo. Os que focam no tema de Efeito Fotovoltaico, em sua maioria, mostram apenas o efeito acontecendo a partir da conversão de luz solar em energia, não se atendo ao que realmente acontece no material semicondutor.
Para se chegar ao resultado supracitado, foram realizadas buscas em sites de bancos de OA e não foram encontradas simulações que abordassem o modelo de Kronig-Penney de forma interativa, assim como o BSKP. Esta simulação se propõe a explicar como ocorre a formação de bandas nos sólidos a través da superposição dos elétrons.
Os OA já foram introduzidos no contexto da Física Quântica anteriormente, um deles foi o OA Pato Quântico, que foi desenvolvido para explicar o fenômeno do Efeito Fotoelétrico, demonstrando o processo de remoção de elétrons de uma superfície metálica quando se incide luz sobre ela (SALES, 2005). O Pato Quântico mostrou que é possível melhorar o aprendizado de um conhecimento tão complexo como a Física Quântica. Outro OA correspondente a um assunto da Física que pode ser utilizado no ensino médio é o Magnetic Falling Through Ring, que se propõe a exemplificar a Lei de Lenz. Os OA permitem motivar e atrair a atenção dos estudantes devido à variedade de atividades lúdicas que eles podem proporcionar.
O BSKP permite ao estudante alterar determinadas variáveis do sistema e visualizar quais as implicações em tempo real, essas variáveis são as mesmas que compõem os conceitos que são ensinadas em sala de aula. Utilizando os conceitos da aprendizagem significativa proposta por Ausubel (MOREIRA, 2011), a qual estabelece que a aprendizagem ocorre por assimilação de novos conceitos e proposições na estrutura cognitiva de quem está aprendendo, essa assimilação ocorre principalmente com conhecimentos previamente aprendidos na própria sala de aula.
Utilizar a Estrutura de Bandas como meio de iniciar o Efeito Fotovoltaico fará com que o estudante adquira um embasamento maior sobre o assunto, compreendendo como o processo ocorre de forma detalhada.
Com relação ao ensino através de experimentos em Física, muitas vezes é um desafio se conseguir material, equipamentos e pessoal técnico especializado para montagem e manutenção de laboratórios e programas de aulas práticas, seja pelos altos custos de aquisição e manutenção, seja pelo domínio técnico necessário no manejo dos equipamentos.
Uma ferramenta que pode ser utilizada para contornar essa situação é utilizar ambientes simulados correspondentes ao modelo original (TRENTIN; SCHMIDT; PEREZ; CARVALHO; TAROUCO, 2004).
Ademais, a motivação pessoal do autor em realizar este projeto foi o de ter um trabalho educacional reconhecido e que possa contribuir para a melhoria do ensino de Física nas escolas, disciplina que é considerada difícil pelos estudantes de ensino médio, sendo uma das causas, a falta da parte experimental, que em muitas escolas não é possível devido à falta de aparelhos.
1.5 LIMITAÇÕES DA PESQUISA
O OA BSKP se encontra em sua versão 1.0, pois não houve alterações em sua versão original devido ao tempo disponível para a conclusão da pesquisa.
Em relação à verificação e validação do BSKP, e também em função do tempo disponível, aplicou-se um questionário a dois professores com doutorado em Física, além de considerar a opinião e validação do BSKP pelo professor do ensino médio e fundamental, vinculado ao Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física (MNPEF), que participou como coautor do processo de sua criação. Do ponto de vista da pesquisa qualitativa, acredita-se que os resultados obtidos foram de grande contribuição para a continuidade do processo de desenvolvimento do BSKP; do ponto de vista da pesquisa quantitativa, a continuidade da pesquisa levará ao levantamento de outras opiniões, que serão consideradas para a garantia da evolução do software.
Ressalta-se que o intuito original era o de aplicar o BSKP em sala de aula para analisar como os estudantes relacionariam a simulação com os conhecimentos teóricos aprendidos. Contudo, a aplicação do BSKP em sala de aula já está prevista no cronograma do mestrando, que participou deste projeto. Na Sequência Didática que propõe em sua pesquisa de mestrado, o BSKP será apresentado ao final do conteúdo do Efeito Fotovoltaico.
1.6 ESTRUTURA DO PROJETO
Este projeto se propõe a discutir um trabalho de conclusão de curso baseado no desenvolvimento de um Objeto de Aprendizagem para o ensino da Estrutura de Bandas através do modelo de Kronig-Penney no ensino médio ou em qualquer outro ambiente onde este OA se aplique. Ele está dividido em:
Fundamentação Teórica, onde é abordado todo o apanhado teórico necessário para o desenvolvimento do projeto.
Metodologia, onde é mostrado todas as etapas realizadas para a concepção do projeto.
Resultados, onde são discutidos todos os resultados obtidos no desenvolvimento, testes realizados e validação do projeto.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nesta seção apresenta-se a fundamentação teórica dos conceitos necessários para a compreensão deste trabalho, sendo eles: Informática na Educação; Objetos de Aprendizagem; Simulação; Engenharia de Software e Física Quântica, onde destacaram-se três assuntos: Efeito Fotovoltaico e Estrutura de Bandas nos Sólidos.
2.1 INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO
A Informática é um campo de conhecimento que surge na década de 70, mas já disponibiliza, também para a educação, uma série de recursos, tais como: projetores multimídia, computadores, celulares, softwares etc. Estes recursos vêm sendo cada vez mais inseridos na sala de aula, com o objetivo de melhorar o processo de ensino-aprendizagem nas escolas. Ressalta-se, entretanto, que não se deve colocá-lo como único e principal atuador desse processo, atribuindo-o uma importância que ele não possui.
No entanto, é possível utilizar os recursos da informática de forma bastante ampla na educação, contanto que o professor continue sempre atualizando seu conhecimento sobre o mundo científico e tecnológico e a tecnologia ofereça condições de tornar a aula mais atrativa e menos cansativa. Isso pode levar o estudante a visualizar situações-problemas relacionadas ao seu cotidiano, utilizando ferramentas que relacionem ambientes simulados com a realidade (TRENTIN; SCHMIDT; PEREZ; CARVALHO; TAROUCO, 2004).
2.2 OBJETOS DE APRENDIZAGEM
Os Objetos de Aprendizagem (OA) têm como objetivo auxiliar no processo de ensino-aprendizagem no ensino médio, utilizando diversas ferramentas que facilitam esse processo. Porém, somente o uso dessas tecnologias não é suficiente para promover a aprendizagem. Esse processo deve ser guiado por princípios instrutivos que descrevem as estratégias, as diretrizes e os critérios para a sua aplicação (SANTOS; FLORES; TAROUCO, 2007).
A ideia básica é a de que os objetos sejam como blocos com os quais será construído o contexto de aprendizagem. O projeto e criação destes objetos são realizados usando-se linguagens e ferramentas de autoria que permitem maior produtividade uma vez que a construção dos mesmos demanda elevada quantidade de tempo e recursos, especialmente quando envolvem multimídia (FABRE; JM; TAMUSIUNAS; TAROUCO, 2003).
Ao preparar um OA devem ser analisadas algumas questões, como: o conteúdo a ser abordado, a forma de apresentá-lo, que ferramentas utilizar, quais são os pressupostos pedagógicos que irão embasá-lo, dentre outras. É cada vez mais comum o uso da multimídia como auxiliar na apresentação do conteúdo, o que exige do professor um domínio sobre o uso dessas tecnologias e até mesmo na criação de novos OA (SANTOS E TAROUCO, 2007).
Com a evolução da tecnologia é muito comum surgirem OA que utilizem cada vez mais as chamadas Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC). As TIC vêm sendo utilizadas em diversas áreas, indústria, comércio, comunicação, educação etc. Na educação elas são consideradas ferramentas bastante úteis, seja na educação presencial e a distância, dinamizando o ensino. Essas ferramentas podem ser: jogos, simuladores, videoconferência, tutoriais e etc.
Os softwares educativos que são utilizados como OA, tem características próprias a depender da sua especificidade. Por essa razão, professores e estudantes devem saber quando utilizá-los para que possam atender o objetivo de interesse. Os tutoriais são utilizados de acordo com o objetivo que o professor deseja alcançar; os jogos tentam motivar e desafiar o estudante para que despertem o interesse pelo assunto; já os simuladores são utilizados para simular eventos que não são possíveis na realidade por diversos fatores, tais como: orçamento, falta de laboratório apropriado, condições físicas impossíveis de serem alcançadas experimentalmente e etc. (PEREIRA, 2011).
Uma vantagem do OA é ele poder ser reutilizado. Esta reusabilidade é elevada quando eles são colocados em repositórios específicos, indexados de forma correta, facilitando sua recuperação por pessoas que sintam a necessidade em usá-lo.
A utilização de materiais diversificados e selecionados, no lugar do enfoque em livros-texto, é um princípio facilitador da aprendizagem significativa. Isso não significa que se deve banir da escola o livro didático, mas considerá-lo apenas um dentre vários materiais educativos (MOREIRA, 2003). A aprendizagem significativa não pode depender do uso exclusivo de determinados signos em particular (MOREIRA, 2002). Segundo Pelizzari (2002), o conhecimento que se adquire de maneira significativa é retido e lembrado por mais tempo.
2.3 SIMULAÇÃO
Segundo Pegden (1990), a simulação é o processo de projetar um modelo computacional de um sistema real e conduzir experimentos com este modelo com o propósito de entender seu comportamento e/ou avaliar estratégias para sua operação. Desta forma, podemos entender a
simulação como um processo amplo que engloba não apenas a construção do modelo, mas todo o método experimental que se segue, buscando:
Descrever o comportamento do sistema;
Construir teorias e hipóteses por meio das observações efetuadas;
Usar o modelo para prever os efeitos produzidos por alterações no sistema ou nos métodos empregados em sua operação.
A simulação funciona como se fosse um laboratório experimental, ou uma alternativa a este, quando inexistente. Ela permite que o usuário modifique parâmetros do modelo de forma sistemática. Seu objetivo principal é permitir o estudo de fenômenos baseados nas técnicas e ferramentas existentes em um laboratório tradicional, sendo possível a repetição do experimento virtual sem a preocupação em cometer falhas, preocupação que deveria ser levada em consideração caso o experimento fosse físico (TRENTIN; SCHMIDT; PEREZ; CARVALHO; TAROUCO, 2004).
Quando a simulação é utilizada em sala de aula, os estudantes se tornam mais participativos, a facilidade e rapidez em modificar parâmetros incita-o em querer conhecer o comportamento do sistema simulado nas diversas situações (YAMAMOTO, 2001).
A simulação deve ser utilizada quando os métodos tradicionais estão falhando ou não estão sendo suficientes para representar a realidade, podendo ser usada quando:
• o ensino e treinamento com algo real é perigoso;
• um erro cometido poderá ser prejudicial ao aluno e/ou ambiente; • o modelo virtual ensinará tão bem quanto o real;
• a interação com modelos virtuais pode ser mais motivadora; • as experiências poderão ser compartilhadas em grupos; • a visualização da informação é necessária;
• for essencial tornar o aprendizado mais interessante e lúdico.
Como o modelo de Kronig-Penney é a representação de um fenômeno, um experimento real não seria tão didático quanto uma simulação desenvolvida para este fim. Por esta razão, optou-se em desenvolver o OA BSKP a partir de uma perspectiva de simulação. E para o seu desenvolvimento, conceitos de Engenharia de Software foram considerados, a fim de garantir a qualidade do software.
2.4 ENGENHARIA DE SOFTWARE
A Engenharia de Software é um ramo da engenharia que foca no desenvolvimento de sistemas de software com custos aceitáveis e de alta qualidade. Os softwares há alguns anos atrás eram criados de modo informal. Nessa época o desenvolvimento sofria muito com a imprevisibilidade quanto a custo, tempo e confiança do software. Por essa razão o estudo da Engenharia de Software se mostrou extremamente necessário e novas técnicas e métodos foram criados para controlar a complexidade inerente aos grandes sistemas de software (SOMMERVILLE, 2007).
2.4.1 Identificação de Requisitos
A fase inicial do desenvolvimento de um software consiste na identificação dos requisitos que o sistema deve atender. Os requisitos são descrições dos serviços fornecidos pelo sistema e as suas restrições operacionais. Eles são as necessidades dos clientes de um sistema que ajuda a resolver algum problema. O processo de descobrir, analisar, documentar e verificar os requisitos é a Engenharia de Requisitos (SOMMERVILLE, 2007).
No levantamento dos requisitos, analistas e engenheiros de software trabalham com clientes e usuários finais para descobrir as funcionalidades que devem ser atendidas, os serviços do sistema, o desempenho necessário, restrições de hardware e outras informações. Uma das técnicas que são utilizadas para o levantamento dos requisitos, é a entrevista.
Entrevista simplesmente é uma “conversa” com o usuário final. Esta técnica é decomposta nas seguintes atividades: ler material de suporte, estabelecer os objetivos da entrevista, decidir quem entrevistar, preparar o entrevistado e decidir os tipos de questões e a sua estrutura (DEVMEDIA, 2008).
A entrevista pode ser estruturada em três formas diferentes:
Estrutura em pirâmide: iniciamos as entrevistas com perguntas mais especificas sobre o sistema e fechamos com perguntas mais genéricas. Geralmente utilizadas com usuários mais relutantes;
Estrutura em funil: iniciamos as entrevistas com perguntas mais genéricas sobre o sistema e fechamos com perguntas mais especificas. Geralmente utilizadas com usuários que tem uma relação mais afetiva com o assunto;
Estrutura em diamante: esta estrutura combina as duas estruturas anteriores e é utilizadas para manter a usuário entrevistado interessado no assunto e para isto se utiliza de perguntas variadas.
Outra forma de se levantar requisitos é a prototipação: ela consiste em uma versão inicial do sistema e dessa forma é possível visualizar e interagir com módulos do sistema mesmo sem sua conclusão (DEVMEDIA, 2008). Existem dois tipos de protótipos:
Protótipos “Throw-away”: ajudam o levantamento e desenvolvimento dos requisitos e suportam os requisitos mais difíceis de perceber;
Protótipos Evolutivos: ajudam o desenvolvimento rápido de uma versão inicial do sistema e suportam os requisitos bem definidos e conhecidos.
Os requisitos são importantes pois é a partir deles que o desenvolvedor entende quais as necessidades dos clientes. Segundo Sommerville (2007), os requisitos se dividem em Funcionais e Não-Funcionais. Os Requisitos Funcionais são as declarações de serviços que o sistema deve fornecer, como o sistema deve reagir a depender das entradas e se comportar em determinadas situações. Já os Requisitos Não-Funcionais são restrições sobre os serviços ou as funções oferecidas pelo sistema.
2.4.2 Modelagem do Sistema
Outra fase importante no processo de desenvolvimento de um software é a modelagem do sistema por meio de Diagramas UML. A Unified Modelling Language (UML) é uma linguagem ou notação de diagramas para especificar, visualizar e documentar modelos de software orientados por objetos. O UML não é um método de desenvolvimento, ele tem a finalidade de exibir graficamente as características do sistema que será desenvolvido.
Os diagramas UML facilitam o entendimento para quem irá desenvolver ou realizar manutenções no sistema, eles são modelos visuais que demonstram o fluxo de ações dos sistemas, interações dos usuários com as funcionalidades do sistema, conexão dos módulos do sistema e etc.
Os diagramas utilizados no projeto do software foram o de Caso de Uso e o de Classes. O diagrama de Caso de Uso é utilizado para descrever relacionamentos e dependências entre um grupo de Caso de Uso e os Atores participantes no processo. Esse tipo de diagrama é utilizado para facilitar a comunicação com os usuários finais do sistema, ficando claro quais funcionalidades os sistema deve ser capaz de fazer, porém, ele não informa o que o sistema não pode fazer (restrições) e nem como será desenvolvido, dando apenas uma visão externa do sistema (SILVA; VIDEIRA, 2001).
O Ator no diagrama de Caso de Uso é a entidade que interage com o sistema, iniciando um caso de uso. Ao se utilizar o diagrama de Caso de Uso, algumas regras devem ser seguidas:
Cada Caso de Uso está relacionado com no mínimo um ator.
Cada Caso de Uso possui um iniciador (isto é um ator).
Cada Caso de Uso liga-se a um resultado relevante (um resultado com “valor de negócio”).
As representações gráficas do Ator e de um caso de uso pode ser visualizado na Figura 1.
Figura 1. Elementos do Diagrama de Caso de Uso
Simulação
Ator
Caso de Uso
Fonte: próprio autor.
Um diagrama de classes representa um conjunto de classes, interfaces, colaborações e respectivas relações, em geral de dependência, generalização e de associação. Ele é utilizado para modelar a estrutura de um sistema, mostrando como os objetos colaboram para atender as funcionalidades, demonstrando a estrutura estática dessa colaboração, mostrando as classes, atributos e métodos, além de como essas classes se relacionam. Um modelo de diagrama de classes pode ser visualizado na Figura 2.
Figura 2. Exemplo de Diagrama de Classes
Aluno
- nome: String
+matricula: (a: Aluno, d: Turma): void
Turma
- codigo: String - descricao: String + incluir (t: Turma): void
1..*
1 Estuda
Fonte: próprio autor
Ao desenvolver um diagrama de classes, algumas regras devem ser levadas em consideração quanto à representação dos seus elementos:
Nome da Classe: Sempre deve ser iniciado com letra maiúscula.
Atributos:
o Visibilidade ou nível de encapsulamento o Nome (deve ser iniciado com letra minúscula) o Tipo de dados
Métodos:
o Visibilidade ou nível de encapsulamento o Nome (deve ser iniciado com letra minúscula) o Lista de parâmetros (se houver)
o Tipo de retorno
Associação entre classes: o Nome (opcional) o Multiplicidades
o Navegabilidade (opcional)
O nível de encapsulamento de atributos e métodos é representado pelos seguintes símbolos:
- private (privado)
# protected (protegido)
+ public (público)
A associação entre classes é representada por uma linha que liga uma classe a outra. Na Tabela 1 podem ser visualizadas as opções de multiplicidade nas associações entre classes.
Tabela 1. Multiplicidade nas Associação entre Classes
Nome Símbolo Apenas um 1..1, 1 ou (vazio) Zero ou Muitos 0..* ou * Um ou Muitos 1..* Zero ou Um 0..1 Fonte: http://pt.slideshare.net/clausenalves/uml-diagrama-de-classes 2.4.3 Processo de Software
Segundo Sommerville (2007), Modelos de Processo de Software é um conjunto de atividades que leva à produção de um software. Estas atividades podem ser o desenvolvimento do software propriamente dito, escolha de uma linguagem de programação, como a Java ou modificações de um sistema. Existem três modelos de processo de software, Modelo em Cascata, Desenvolvimento Evolucionário e Engenharia de Software Baseado em Componentes. O Modelo em Cascata (o qual foi utilizado no desenvolvimento do BSKP) considera as atividades fundamentais do processo, especificação, desenvolvimento, validação e evolução (SOMMERVILLE, 2007).
Ele foi o primeiro modelo de processo de desenvolvimento de software publicado, e seus principais estágios são mostrados na figura 3. O modo em que essas fases da figura 3 foram dividas foi proposta por Pressman (2006), que difere ao modelo de Sommerville (2007) no modo em que elas são nomeadas.
Figura 3. Modelo Cascata
Fonte: (PRESSMAN, 2006).
Comunicação: os serviços, restrições e objetivos do sistema são definidas por meio de consultas aos usuários do sistema.
Planejamento: divide os requisitos obtidos em sistemas de hardware ou de software, estabelecendo uma arquitetura geral do sistema.
Modelagem: análise da arquitetura do sistema e definição do projeto.
Construção: implementação das diversas partes do sistema (codificação).
Implantação: entrega o sistema com todas as partes em funcionamento e monitora as opiniões dos usuários para possíveis mudanças.
2.5 A FÍSICA QUÂNTICA
A Mecânica Quântica é a teoria física fundamental que descreve o comportamento dos objetos em escala próxima ou abaixo das dimensões atômicas. Nessas dimensões, os sistemas físicos não se comportam da forma como é estudada na Física Clássica. Isso levou ao desenvolvimento de novos modelos e leis físicas adequados para justificar esses comportamentos observados nessa escala.
Essa teoria fornece a base teórica de várias áreas da física, dentre as quais podemos citar: física da matéria condensada, física atômica e molecular, física de partículas e física nuclear.
2.5.1 Efeito Fotovoltaico
É importante diferenciar o Efeito Fotoelétrico do Efeito Fotovoltaico, pois, muitas vezes, esses dois conceitos são confundidos e são interpretados como sendo a mesma coisa. O Efeito Fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta retirando elétrons dessa placa. Já o Efeito Fotovoltaico é a criação de tensão elétrica ou de uma corrente elétrica correspondente num material após a sua exposição à luz. Os dois efeitos estão relacionados, mas não fazem parte do mesmo processo
A teoria a respeito do Efeito Fotovoltaico é utilizada no desenvolvimento das Células Fotovoltaicas, que é um dispositivo semicondutor que produz tensão, quando exposta à luz. Essas células geralmente são feitas de silício, o cristal de silício puro não possui elétrons livres, portanto, é um mau condutor elétrico. São acrescentadas porcentagens de outros elementos, realizando assim o processo de dopagem.
Dopagem consiste em um procedimento de adição de impurezas a um elemento semicondutor para transformá-lo em um elemento com uma característica condutora mais eficaz. No silício por exemplo, todos os seus elétrons externos estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal desse material puro é quase um isolante, pois pouca eletricidade consegue passar por esse tipo de material.
Existem dois tipos de impurezas:
Tipo N: Nessa dopagem, o fósforo ou o arsênico é adicionado ao silício, sendo que esses elementos possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício, sobrando um elétron, dessa forma, esse elétron ganha liberdade de movimento.
Tipo P: Nessa dopagem, o boro ou o gálio é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos. Quando dopados ao silício eles formam "lacunas" e um elétron do silício fica sem se ligar devido à falta de outro elétron. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva.
A partir da dopagem do silício com o fósforo (tipo N) obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtêm-se um material com características inversas, ou seja, material com cargas positivas livres, os denominados buracos (silício tipo P).
Quando a luz incide sobre a célula fotovoltaica, os fótons entram em contato com os elétrons da estrutura do silício dando energia. Devido ao campo elétrico gerado na união P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Esse efeito pode ser visualizado na figura 4.
Figura 4. Célula Fotovoltaico
Fonte: próprio autor.
Por meio de um condutor externo, os polos negativo e positivo são conectados, com isso surge um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto houver incidência de luz na célula, haverá corrente elétrica. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.
2.5.2 Estrutura de Bandas de Energia nos Sólidos
A Física do Estado Sólido é a área da Física Quântica onde se trata da compreensão das propriedades mecânicas, térmicas, magnéticas e óticas da matéria sólida. Ela permite compreender a origem das forças que mantém os átomos juntos em um sólido. A partir desses conhecimentos é possível introduzir o estudo das Estrutura de Bandas ou Teoria de Bandas dos sólidos. Esse assunto pode ser aplicado a dispositivos semicondutores, pois ele permite a compreensão do comportamento do sólido em função da organização dos seus átomos (EISBERG; RESNICK, 1979).
Segundo Halliday (1963), quando os átomos se agrupam formando um sólido, os elétrons de cada átomo em um sólido estão sujeitos à interação com os átomos vizinhos. O sólido cristalino possui um arranjo regular dos seus átomos, essa aproximação faz com que as
funções de onda desses átomos se superpõem, com isso existe a formação das banda de energia que são separadas por bandas proibidas, a figura 5 mostra a formação dessas bandas.
Figura 5. Bandas Permitidas e Proibidas
Fonte: Halliday, 1963.
As bandas de menor energia são mais estreitas que as de maior energia. Isso ocorre porque os elétrons que ocupam as bandas de menor energia se encontram mais próximos do núcleo atômico, esses elétrons não sofrem tanto o efeito da superposição como os elétrons que se encontram nas bandas superiores.
O Modelo de Kronig-Penney foi apresentado em 1930 por L. Kronig e W. G. Penney ele tem o objetivo de descrever os estados de energia de um elétron pertencentes a um cristal. Sólidos geralmente possuem uma estrutura cristalina onde os ions são organizados de modo que possuem uma periodicidade espacial. Esta periodicidade é representado no modelo de Kronig-Penney pela figura 6.
Figura 6. Potencial de Kronig-Penney
Fonte: MCQUARRIE, 1996.
E possui período de c = a+b. Ela considera o sólido cristalino como o potencial periódico da figura 4, onde Vo representa o potencial do cristal, que por possuir uma regularidade em sua estrutura é possível representa-la dessa forma.
Esse potencial é o responsável pelo confinamento dos elétrons, ele faz com que os elétrons permaneçam ligados à estrutura.
Para determinar os possíveis estados de energia do elétron, Kronig e Penney chegaram à equação 01.
(01)
Onde ε é o nível de energia, A é uma constante cujo valor na figura 7 é 10, a é a largura do poço e r =a/b, sendo b o espaçamento entre os poços. O resultado gráfico dessa equação pode ser visualizado na Figura 7.
Figura 7. Plotagem gráfica da equação 01. Onde F(ε) é a função em relação a ε
Fonte: (MCQUARRIE , 1996).
As regiões em vermelho representam as bandas proibidas, percebeu-se que a função que representa as bandas permitidas pode ser expressa como uma função cosseno.
Foi definida a relação da equação 01 com a função cosseno da equação 02 essa função cosseno representa a banda permitida para o elétron.
(02) Por se tratar de uma função cosseno, os únicos valores permitidos para F(ε) estão entre -1 e 1. Os valores que estão entre esse intervalo são os chamados de bandas permitidas, ou seja,
os níveis de energia que o elétron pode possuir. Os valores que estão fora desse intervalo são as bandas proibidas, ou seja, não existe a possibilidade de o elétron estar com estes níveis de energia (MCQUARRIE, 1996).
Onde n seria o número referente ao elétron, ou seja, ele vai de 1 até o número total de elétrons da estrutura, é a constante de Planck, sendo = 1,05457173 × 10-34, m = 9,10938291 × 10
-22, a é a largura do poço. Esta fórmula utilizada apenas como uma ilustração, visto que, não
seria possível matematicamente desenvolver uma equação que represente a quantidade real de átomos.
2.6 TEORIA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA - DAVID AUSUBEL
A teoria de David Ausubel foca na aprendizagem cognitiva. Segundo ele, a aprendizagem significa organização e integração do material na estrutura cognitiva. Sua atenção está voltada na aprendizagem em sala de aula. Para ele, o fator que mais influencia a aprendizagem é aquilo que o estudante já tem conhecimento, onde a partir desse conhecimento, novas ideias podem ser introduzidas. Além dessa ancoragem em assuntos já conhecidos, Ausubel afirma ser possível mudanças relevantes nos atributos da estrutura cognitiva pela influência de novo material (MOREIRA, 2011).
A aprendizagem significativa é um conceito central da teoria de Ausubel, esse conceito envolve a interação da nova informação com uma estrutura de conhecimento específica, a qual Ausubel define como conceito subsunçor, existente na estrutura cognitiva do indivíduo (2011). Essa teoria pode ser percebida por meio da utilização de um OA no momento em que o estudante visualiza uma determinada situação que está ocorrendo no software e relaciona com algo que já foi aprendido anteriormente. A partir do uso do OA BSKP, por exemplo, a ideia é que o estudante visualize a formação das bandas através da superposição das linhas que representam a energia dos elétrons e relacione com a teoria aprendida previamente.
2.7 TRABALHOS CORRELATOS
Existem inúmeros OA que simulam efeitos físicos, geralmente esses OA se encontram em bancos de OA gratuitos. Antes de iniciar o desenvolvimento do BSKP, foram analisados
outros OA que possuíssem um bom nível de interatividade e que fossem fácil de se entender o que estava sendo simulado. Um dos bancos de OA utilizados foi o opensourcephysics.org, nele são encontrados inúmeros OA que simulam fenômenos físicos.
Dois OA em particular chamaram a atenção pela simplicidade em que o conteúdo é transmitido para o usuário, eles são o Pato Quântico (disponível em: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19935) e o Magnetic Falling Through Ring (disponível em: http://www.opensourcephysics.org/items/detail.cfm?ID=10327).
O Pato Quântico se propõe a explicar o Efeito Fotoelétrico, esse OA foi desenvolvido em formato de jogo digital onde o usuário deve incidir sobre uma plataforma, onde existem patos em cima dela, fótons de frequência definida pelo jogador, com o objetivo de retirar todos os patos da plataforma. Os patos fazem alusão aos elétrons do material que são arrancados quando expostos a uma radiação eletromagnética.
O Magnetic Falling Through Ring se propõe a demonstrar um experimento baseado na lei de Lenz, que diz que o sentido de uma corrente gerada pela variação de um campo magnético é oposta a esse campo. Na simulação, o usuário visualiza a representação de um ímã caindo por dentro de um anel. Neste anel existem alguns círculos ao redor que estariam representando as cargas. Quando um ímã vai se aproximando do anel, os círculos giram para um lado, o que seria a representação de uma corrente que foi gerada pela variação do campo do ímã. A depender da disposição dos pólos desse ímã, as bolas giram para lados diferentes.
3 METODOLOGIA
Este projeto foi articulado em seis etapas: 1) Pesquisa Bibliográfica - realizadas nas áreas de Engenharia de Software, Informática na Educação e Física; 2) Compreensão dos conceitos do Efeito Fotovoltaico: Estrutura de Bandas nos Sólidos - como esses conceitos foram utilizados para a modelagem do OA a partir das necessidades dos usuários; 3) Modelagem do OA - o desenvolvimento do OA a partir do modelo criado (esse modelo se baseia no Modelo Cascata da Engenharia de Software, como pode ser visualizado na Figura 3); 4) Desenvolvimento do OA – onde é mostrado todos os passos seguidos para a finalização do BSKP; 5) Verificação e Validação do AO – verificação realizada a partir de checklist e questionários aplicados à professores de Física de nível superior e um estudante do mestrado de Física; e, 6) Análise dos Resultados Obtidos – onde foram analisadas as observações de melhorias do software, considerando as que foram relevantes.
Vale salientar que as ações só são apresentadas de forma sequencial para melhorar a compreensão de como o projeto foi desenvolvido, contudo, atividades como pesquisa bibliográfica ocorreram ao longo de toda a pesquisa
3.1 ETAPA 1: PESQUISA BIBLIOGRÁFICA
O levantamento bibliográfico contemplou a área de Objetos de Aprendizagem, Engenharia de Software e Efeito Fotovoltaico e que utilizem TIC como forma de tornar o aprendizado mais interativo. Para a área que contempla os Objetos de Aprendizagem, a principal fonte utilizada foram os artigos escritos por Tarouco (2003). Esta autora possui um vasto acervo de artigos nesta área, sendo alguns deles referentes a atividades realizadas na área da Física. Para o conhecimento sobre a Engenharia de Software, o livro de Sommerville (2007) foi a principal fonte de conhecimento por possuir diversos conceitos de produção de software que podem melhorar o desenvolvimento do OA. Para o efeito Fotovoltaico, o livro de Física Quântica (EISBERG, Robert RESNICK, Robert. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas) possui um conteúdo bastante abrangente sobre a Teoria de Bandas, e introduz o Efeito Fotovoltaico.
3.2 ETAPA 2: COMPREENSÃO DOS CONCEITOS DO EFEITO FOTOVOLTAICO: ESTRUTURA DE BANDAS NOS SÓLIDOS E SEMICONDUTORES
Este projeto foi desenvolvido por um estudante de Engenharia de Computação com uma orientadora da área de Ciências da Computação, um co-orientador do Departamento de Física, da UEFS, e um professor de Física do Ensino Médio, que está realizando o seu trabalho de dissertação sobre Efeito Fotovoltaico.
O software simula o conceito de Estrutura de Bandas para explicar como ocorre o Efeito Fotovoltaico para ser utilizado como um Objeto de Aprendizagem com o objetivo de facilitar o processo de ensino-aprendizagem para estudantes e professores do Ensino Médio.
Durante o percurso da disciplina de TCC1, os conhecimentos físicos que dizem respeito ao projeto foram adquiridos por meio de discussões a respeito do assunto com os dois participantes do projeto da área da Física, e realização de entrevistas com o objetivo de obter os requisitos para o desenvolvimento do software. Nos âmbito da Engenharia de Software, essa parte se encaixa na fase de comunicação. Os conhecimento obtidos nesta etapa foram necessários para entender como o software deveria se comportar às determinadas entradas do usuário, e também para conhecer qual a relação que cada variável possui dentro do Efeito Fotovoltaico.
3.3 ETAPA 3: MODELAGEM DO OA
O OA é um software e para sua modelagem foram utilizados conhecimentos de Engenharia de Software, tais como: diagramas UML, metodologias de desenvolvimento, pesquisa sobre as tecnologias de desenvolvimento atuais, estimativa de tempo para o desenvolvimento e os recursos necessários para o projeto.
3.4 ETAPA 4: DESENVOLVIMENTO DO OA
Inicialmente foi desenvolvido um produto mínimo viável para que pudesse ser validado pelo coautor, especialista em Física. Após a validação, foram realizadas algumas correções para deixar o software mais intuitivo e fácil de ser utilizado por um estudante de ensino médio.
O BSKP foi desenvolvido utilizando a linguagem de programação Java, com o auxílio de uma API para criação de gráficos, a jFreeChart, por ser uma linguagem bastante poderosa, orientada a objetos, e muito utilizada atualmente. Considerou-se também as recomendações da
Engenharia de Software, ao adotar o Processo de Software Modelo Cascata, onde cada fase do projeto é bem definida, iniciando pelo levantamento dos requisitos e finalizando com o software com uma versão pronta.
3.4.1 Escolhas Tecnológicas
Na fase de construção do software foram escolhidos a linguagem utilizada e qual o ambiente de desenvolvimento que seria utilizado para seu desenvolvimento. Por possuir maior conhecimento e ser multiplataforma, a linguagem escolhida foi a Java. Com ela, um único código pode funcionar tanto em computadores com Linux ou Windows por ela funcionar em cima de uma máquina virtual específica, além de ser orientada a objetos, o que permite uma abstração da funcionalidade real em código.
O Netbeans IDE (https://netbeans.org/features/index.html) foi utilizado como ambiente de desenvolvimento por possuir algumas ferramentas que facilitam o desenvolvimento de interfaces gráficas juntamente com os elementos da biblioteca Swing, por possuir funcionalidades que tornam a programação mais dinâmica, ser gratuito e de código aberto. Ele permite que sejam desenvolvidos aplicativos desktop, empresariais, móveis e Web.
O Netbeans IDE foi escrito em Java dessa forma, pode ser utilizado em qualquer sistema operacional que suporte a JVM (java virtual machine). Das ferramentas que auxiliam no desenvolvimento, ele possui um editor de código fonte, visualizador de classes integrado ao de interfaces, plugins para UML, autocompletar avançado, suporte a banco de dados e atalhos para copiar linhas de código.
A API jFreeChart (Disponível em: http://www.jfree.org/jfreechart/) é uma biblioteca gratuita para a criação de gráficos em diversos formatos, como: pizza, barras e etc. Ela possui uma boa documentação, exemplos de código, código aberto e cumpre as necessidades do projeto.
O jFreeChart foi utilizado para exibir o resultado da simulação graficamente, a partir de funções matemáticas.
A biblioteca Swing é a principal biblioteca para criação de aplicações desktop (que rodam na máquina do usuário) com Java. Ela permite criar aplicações mais interativas e mais ricas. A Swing já vem inclusa no pacote JDK (Java Development Kit) com o look-and-fell é possível manter a interface gráfica independente dos sistema operacional em que a aplicação está rodando.
3.5 ETAPA 5: VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO OA
Após o desenvolvimento da primeira versão do software, foram realizados testes de Funcionalidade, Integração e de Sistema. No teste de Funcionalidade, módulos importantes do sistema foram testados separadamente, tornando mais fácil o rastreamento de erros. Após os testes nos módulos separados, foi realizado o teste de Integração, onde os módulo foram unidos e foi feita uma busca por possíveis erros causados por essa união. Por último, foi realizado um teste de Sistema, que leva em consideração o software e o hardware, além do ambiente em que o sistema vai ser aplicado. Neste teste é possível também analisar a reação dos usuários que irão utilizar o sistema.
A validação do software ocorreu a partir da apresentação do sistema aos prováveis clientes, que no caso deste projeto foram: um estudante do mestrado de Física, o qual atua também como professor de Física no ensino médio e dois professores de Física do ensino superior. Um deles com vinte anos trabalhando como professor de Física e com conhecimento sobre o modelo de Kronig-Penney e o outro com oito anos trabalhando como professor de Física, mas que informou que não possui conhecimento tão aprofundado sobre o modelo simulado.
Para o estudante de mestrado foi aplicado um checklist (Apêndice 1) para verificar se o software cumpria com os requisitos para ser considerado um Objeto de Aprendizado. Para os professores foi aplicado um questionário (Apêndice 2) com o objetivo de descobrir se o software estava de acordo com o conceito de Estruturas de Bandas.
3.6 ETAPA 6: ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS
Após a validação do OA e a análise dos questionários e do checklist aplicados, foram realizadas as correções necessárias para torná-lo estável e melhorar sua usabilidade. Foram analisadas também as informações quanto às possíveis melhorias no BSKP, que os participantes da pesquisa propuseram, e se a simulação conseguiu cumprir seu papel ao passar o conhecimento sobre Estrutura de Bandas.
3.7 QUESTÕES DE ÉTICA NA PESQUISA CIENTÍFICA
Para a realização da pesquisa científica desenvolvida, foram considerados aspectos relacionados à ética em pesquisa. Aos sujeitos participantes da pesquisa foram apresentados os
objetivos e a justificativa da realização da pesquisa. Diante de um termo assinado, foi garantido o anonimato, a privacidade e confidencialidade dos dados e informações relatados. Esse trabalho segue as orientações fornecidas pelo Comitê de Ética e Pesquisa (CEP) da Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS), a partir do que indica a Resolução CNS nº 446/12, que apresenta as diretrizes e normas regulamentadoras de pesquisas envolvendo seres humanos.
3.7.1 Benefícios para os sujeitos
Os sujeitos da pesquisa tem como benefício principal a aquisição gratuita do OA BSKP, que poderá ser utilizado nas aulas de Física, com a possibilidade de tornar a aula mais participativa por parte dos estudantes, de forma que eles possam visualizar os resultados à medida que modificam as variáveis do sistema.
3.7.2 Benefícios para a sociedade
O BSKP tem como objetivo melhorar o processo de ensino-aprendizagem da física quântica nas escolas. Por ser gratuito, e futuramente estar disponível em um banco de objetos de aprendizagem online, amplia as possibilidades de aquisição desse OA.
3.7.3 Riscos inerentes à pesquisa
Os possíveis riscos inerentes à pesquisa foram: os sujeitos participantes sentirem algum desconforto ao utilizar o BSKP ou se sentirem constrangidos ao responder alguma questão do questionário ou assinalar algum item do checklist. Os riscos foram apresentados aos participantes da pesquisa por meio de um Termo de Consentimento Livre e Esclarecido (TCLE), que pode ser visualizado nos Apêndices 3 e 4.
3.7.4 Medidas de proteção aos sujeitos da pesquisa
Para manter a proteção diante dos riscos inerentes à pesquisa, foi explicado aos sujeitos participantes, todo o funcionamento do OA BSKP, e como a pesquisa aconteceria, além de estabelecer requisitos para participar da pesquisa. Sobre o questionário, o participante deveria ser professor de Física, pois deveria avaliar se as aplicações físicas estavam sendo representadas
de forma coerente. No checklist o sujeito deveria ser professor de Física de ensino médio, para avaliar se o OA possuía uma abordagem que poderia ser apresentada para esse tipo de público.
4 RESULTADOS
Antes de se iniciar o desenvolvimento do Objeto de Aprendizagem, foi definido qual o modelo de desenvolvimento se encaixaria melhor para este projeto, foi levado em consideração o tempo, quantidade de desenvolvedores e o tipo de software. A partir dessas variáveis, foi decidido que o modelo seria o Cascata, onde cada fase é bem definida e sempre linear, sem voltar para a fase anterior (Ver Figura 3, localizada na Seção 2).
4.1 COMUNICAÇÃO
Na fase de comunicação, foram listadas as funcionalidades que o software deveria executar, dessa forma, foram abstraídos os requisitos funcionais e não-funcionais. Os requisitos funcionais são:
o BSKP deverá permitir que o usuário acesse determinadas funções no menu: simulação, aplicações e créditos;
que o usuário altere a largura do poço, distância entre os poços e o número de átomos;
que a visualização dos resultados seja dada de forma gráfica, exibindo os poços e as linhas de energia;
que as aplicações sejam exibidas uma por uma e o usuário poderá transitar entre essas aplicações;
Os requisitos não-funcionais são:
o BSKP deverá ser disponibilizado gratuitamente;
estar disponível na internet;
ser intuitivo;
exibir as informações de forma precisa;
funcionar nos sistemas operacionais mais utilizados (Linux e Windows);
Esses requisitos foram extraídos por meio de entrevistas com os participantes do projeto e futuros utilizadores do sistema. Durante a entrevista foram realizadas perguntas sobre as funcionalidades do sistema e quais os elementos ele deveria possuir. Foi decidido nessa fase como a simulação deveria se comportar a partir das entradas do usuário e quais as variáveis desse sistema que poderiam ser alteradas.
Os participantes do projeto da área da Física apresentaram simulações e materiais que abrangiam o tema de Estrutura de Bandas utilizando o modelo de Kronig-Penney. Por concordarem que esse modelo seria o mais didático para ser ensinado no ensino médio, optou-se por deoptou-senvolver a simulação a partir dele.
Além do modelo para a simulação, ficou decidido como seriam as entradas dos usuários, para tornar o OA mais interativo. Ficou decidido, então, que o usuário arrastaria os átomos com o mouse até uma caixa. Neste caso, a caixa estaria representando um sólido. A ideia foi de mostrar como o número de átomos na estrutura influencia no resultado da simulação. Além do número de átomos, o usuário deveria ser capaz de alterar a largura e distância entre os poços. Ficou decidido que haveria dois “sliders”, um para cada função onde o usuário poderia arrastar a barra e alterar o valor dessas variáveis.
Para estimular os estudantes sobre o assunto, foi decidida a necessidade de uma seção contendo as aplicações onde o Efeito Fotovoltaico é utilizado. Dessa forma, o estudante poderia se sentir mais motivado para, quem sabe, seguir um estudo mais aprofundado na área, ou até mesmo iniciar uma graduação em Física, visto que, eles são estudantes de ensino médio e o vestibular é uma realidade próxima.
4.2 PLANEJAMENTO
Definidos os requisitos, foi necessário definir prazos para a entrega do software. Para a escolha desse prazo, fatores importantes foram levados em consideração, como: data da defesa do projeto TCC e aplicação do OA em sala de aula pelo professor de Física. Durante o período de desenvolvimento, reuniões periódicas aconteciam para sanar dúvidas quanto aos conceitos do assunto referente ao que o OA se trata e para apresentar a fase atual do sistema.
As reuniões periódicas foram muito importantes para que o desenvolvimento do projeto seguisse o rumo correto, pois elas ajudaram a realizar pequenas correções antes que o projeto fosse concluído, além do apanhado teórico obtido durante as discussões.
4.3 MODELAGEM
Com os requisitos definidos, foram criados diagramas de Casos de Uso e de Classes. O diagrama de Casos de Usos foi utilizado para apresentar ao usuário final como o software iria se comportar. Ele pode ser visualizado na Figura 8.
Figura 8. Diagrama de Casos de Uso
Fonte: próprio autor
O diagrama de Casos de Uso foi criado primeiro pois era necessário ter certeza de que os requisitos obtidos realmente estavam de acordo e cobria todas necessidades pensadas durante a entrevista. A partir desse modelo, os entrevistados tiveram a oportunidade de visualizar, de forma externa, quais opções o software seria capaz de realizar. Assim foi possível visualizar se estava faltando alguma funcionalidade.
O diagrama de Classes foi criado para deixar claro qual a estrutura que o código do software deveria seguir, a relação entre as classes e os padrões de projeto. O modelo utilizado foi o MVC (Model-View-Control), onde o módulo da lógica do sistema não se mistura com o módulo da interface gráfica, toda a comunicação entre os dois módulos são controlados por uma classe responsável por essa função. O diagrama de classes pode ser visualizado na Figura 9.
Figura 9. Diagrama de Classes
Fonte: próprio autor
Simulação
Exemplos de Aplicação
Altera o número de átomos
Altera a largura do poço
Altera o espaçamento do poço
Controlador - incAtomoQuantidade() - decAtomoQuantidade() - getQtAtomos() Grafico - linhas: XYDataset - funcaoPoco: XYDataset - createLinhas() - createPoco() - control: Controlador Simulacao - refreshChart() - mousePressed() - mouseDragged() - mouseReleased() - mouseEntered() - mouseExited() - removeLinhas() - addLinhas() 1 1 1 1
Diferente do diagrama de Casos de Uso, o diagrama de Classes não foi apresentado aos usuários finais, ele serviu para definir quais os módulos principais do sistema, e como esses módulos se relacionam entre si. Foi possível definir quais os atributos e métodos necessário para o desenvolvimento do sistema, facilitando no momento da codificação, visto que, tudo já havia sido muito bem pensado e estruturado, tornando essa fase mais dinâmica e menos propensa a erros de projeto.
Foram criados modelos de tela para serem validados quanto à facilidade de uso e interação entre as partes do sistema. Esse modelo de telas está representado na Figura 8. Esses modelos foram apresentados e validados pelos participantes do projeto, onde foram avaliadas sua praticidade de uso e clareza nas informações. A resolução das telas do software foi definida como 1366 x 768 por ser a resolução na maioria dos notebooks e se comportando bem em telas com resoluções maiores.
Figura 10.Modelo de Telas
Pa
4.4 CODIFICAÇÃO
O código possui três classes principais, Controlador, Simulação e Gráfico. As outras classes são apenas referentes à interface gráfica e não interferem na lógica do sistema. As classes correspondentes a interface gráfica possuem uma relação de herança com a classe pai jFrame. Toda interface gráfica possui os métodos setPreferredSize(new java.awt.Dimension(1366, 768)), para fixar o tamanho da tela nos valores passados por parâmetro e setResizable(false), para que o tamanho da janela não possa ser alterado. O sistema inicia instanciando a interface gráfica Menu, esse jFrame possui três botões que instanciam novas janelas e um botão para sair do sistema utilizando o comando System.exit(0).
As classes principais gerenciam a parte do sistema referente à simulação. A classe Simulacao é a interface gráfica referente à simulação do sistema, ela possui elementos como: jLabels, jButtons, jSliders e jPanels. A parte de baixo dessa tela possui jLabels com ícones em formato de átomos, essas jLabels são movidas através da união de três eventos de mouse: MousePressed, MouseDragged e MouseReleased.
O evento de MousePressed é ativado quando o componente é clicado, o corpo desse evento pode ser visualizado na Figura 11.
Figura 11. MousePressed
Fonte: próprio autor
No corpo evento de MousePressed, a posição do átomo em relação ao jPanel em que ele está contido e checa se ele está ou não dentro do outro jLabel que possui um ícone em formato de caixa. Essa informação é importante para saber de onde veio o átomo no momento que ele é solto.
