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|id=Vol-1877/CtrlE2017_AC_41_142
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|title=Ensino da Estrutura de Repetição For em Python com Realidade Aumentada Através do Aurasma (Teaching the For Repetition Structure in Python Using Augmented Reality Through Aurasma)
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|volume=Vol-1877
|authors=Mailton Fernandes Carvalho,Yuska Paola Costa Aguiar,Vanessa Farias Dantas
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==Ensino da Estrutura de Repetição For em Python com Realidade Aumentada Através do Aurasma (Teaching the For Repetition Structure in Python Using Augmented Reality Through Aurasma)==
https://ceur-ws.org/Vol-1877/CtrlE2017_AC_41_142.pdf
II Congresso sobre Tecnologias na Educação (Ctrl+E 2017)
Universidade Federal da Paraíba - Campus IV
Mamanguape - Paraíba – Brasil
18, 19 e 20 de maio de 2017
Ensino da estrutura de repetição For em Python com
realidade aumentada através do Aurasma
Mailton Fernandes Carvalho, Yuska Paola Costa Aguiar, Vanessa Farias Dantas
Departamento de Ciências Exatas (DCX) - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)
Caixa Postal: 58297-000 – Rio Tinto – PB – Brasil
{mailton.fernandes, yuska, vanessa}@dcx.ufpb.br
Abstract. The teaching-learning process of programming fundamentals has
proved challenging for students and teachers. This fact has been driving
research to try to facilitate a good understanding of the concepts involved. In
order to provide students with a different way of learning programming
contents, the present work describes the use of Augmented Reality (from the
Aurasma application) in the development of a learning object (ARDisk) to aid
in the learning of Programming, specifically in the use of the range in Python.
Resumo.O processo de ensino-aprendizagem de fundamentos de programação
tem-se mostrado desafiador para alunos e professores. Este fato vem
impulsionando pesquisas para tentar facilitar a boa compreensão dos
conceitos envolvidos. Com o intuito de proporcionar aos alunos uma maneira
diferente de aprender os conteúdos de programação, o presente trabalho
descreve o uso de Realidade Aumentada (a partir do aplicativo Aurasma) no
desenvolvimento de um objeto de aprendizagem (ARDisk) para auxiliar na
aprendizagem de programação, especificamente no uso do for com a função
range em Python.
1. Introdução
O processo de ensino-aprendizagem de Fundamentos de Programação ainda é
considerado difícil para alunos e professores; os elevados índices de evasão e retenção
nas disciplinas iniciais de Programação são temas de estudos e pesquisas variadas [Silva
e Trentin 2016]. Uma das principais causas é que, muitas vezes, programar requer
esforços que vão além de saber a sintaxe da linguagem. A disciplina exige noções
básicas de Inglês, lógica matemática e conceitos abstratos de Programação – tudo
associado à necessidade de analisar e resolver problemas.
Frente a essas premissas, percebe-se a necessidade de propor alternativas para
tentar minimizar tais problemas. Dentre as possibilidades, têm-se o uso da tecnologia de
Realidade Aumentada (RA), a partir da qual é possível sobrepor informações virtuais
em ambiente real, utilizando para isso um dispositivo tecnológico [Kirner 2011]. Essa
tecnologia é comumente utilizada em computadores com webcam e software
previamente configurado para aplicações de RA e cartões com imagens (marcadores).
Para isso, o usuário aponta o marcador para o campo de atuação da webcam e aguarda o
objeto virtual ser projetado no monitor. Além dos computadores de mesa e notebook, a
RA também vem sendo utilizada em dispositivos móveis.
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Além disso, agregando a tecnologia de RA com Mobile Learning (ensino através
de dispositivos móveis), o ensino-aprendizagem torna-se mais acessível, devido à sua
mobilidade. Além disso, por meio de aplicações interativas é possível atualizar
conteúdos de maneira mais rápida em relação aos métodos tradicionais. Existem
aplicativos desenvolvidos para ensinar linguagens de programação, como Codecademy:
Hour ofcode1, Learn Python2, Programming Hub3, todos disponíveis gratuitamente para
Smartphone ou Tablet. A utilização de aplicativos no ensino em geral pode
potencializar a maneira de apresentar o conteúdo, e tornar as aulas mais atrativas. No
aprendizado de programação, o aluno poderá visualizar, analisar e até mesmo interagir
em tempo real com algoritmos ou trechos de códigos, podendo aumentar a motivação
dos alunos no estudo e favorecer substancialmente o aprendizado do conteúdo.
Para tanto, o presente trabalho consiste no desenvolvimento de um objeto de
aprendizagem (ARDisk) que utiliza a tecnologia de RA, através do aplicativo Aurasma,
para simular a execução do comando for com a função range em Python. Espera-se que,
com cenários de animações interativas, conceitos e exercícios, os discentes possam
explorar as variações deste comando de repetição em tempo real de maneira rápida,
prática e portátil, usando o seu próprio smartphone ou tablet.
2. Realidade Aumentada
Com a evolução tecnológica dos recursos computacionais, softwares e
telecomunicações, surgiram os recursos multimídia e os sistemas computacionais de
interface avançada, como a Realidade Virtual (RV), que permite a imersão do usuário
em um ambiente 3D e a Realidade Aumentada (RA), que traz elementos do mundo
virtual para o real [Tori, Kirner e Ciscouto 2006]. Essas tecnologias permitiram ao
usuário ter acesso a aplicações que interagem em tempo real no ambiente em que se
encontram.
Segundo Rodello et al. (2010), esse conceito tem um contexto ainda mais amplo,
conhecido como Realidade Misturada (RM), que trabalha com aplicações em ambientes
reais e virtuais sobrepostos. Neste cenário, os usuários são levados a crer que os
ambientes reais e virtuais são um só. A realidade Misturada possui dois pilares
principais: a Virtualidade Aumentada (VA), quando há predominância do virtual sobre
o real; e, com o oposto, a Realidade Aumentada (RA); o conjunto, tanto VA quanto RA
caracterizam-se por Realidade Misturada, chamada Contínuo de Virtualidade.
Kirner (2011) define a Realidade Aumentada como a sobreposição de objetos
virtuais em ambientes reais, visualizados em tempo real através de um dispositivo
tecnológico, que usa a interface do ambiente real adaptada para mostrar e mover os
objetos virtuais. Esse recurso tecnológico necessita de três componentes básicos para
funcionar: (i) um marcador (ou símbolo) que serve como um gatilho para que a imagem
seja identificada e interpretada no campo de atuação da câmera; (ii) um dispositivo que
capture a imagem contida no marcador e transmita ao sistema de RA para interagir com
o usuário; e (iii) um software capaz de converter o símbolo cadastrado ao sistema em
elementos virtuais.
1
https://www.codecademy.com/hour-of-code
2
https://www.sololearn.com/Course/Python/
3
https://www.programminghub.io/
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É possível encontrar na literatura alguns trabalhos que abordam o uso de RA
para o contexto educacional, mas especificamente, envolvendo conteúdos de
computação. Por exemplo, o RAINFOR [Cardoso et al. 2014] é uma aplicação desktop
gratuita, que utiliza a tecnologia de RA do FLARToolkit para apresentar componentes
de hardware de um computador. Por meio de marcadores pré-configurados, é possível
visualizar objetos 3D de placa mãe, HD, memória RAM e CPU.
Já o Visualizador de Dados [Kirner al. 2004] é um sistema de visualização
tridimensional de gráficos de barras em um ambiente virtual interativo de um banco de
dados. Usando um marcador, os usuários podem inspecionar e interagir com o gráfico
na tela e, com o mouse é possível movimentar planos de mínimos e máximos em
3D.Outro exemplo é o Augument Reality Schatch [Radu e MacIntyre 2009], uma
aplicação gratuita para dispositivos móveis que permite criar ambientes que misturam
elementos virtuais com reais; com os marcadores, é possível programar interações entre
esses elementos. Seu objetivo é estimular a noção espacial e conhecimentos básicos de
Programação.
3. Metodologia
Os procedimentos metodológicos usados neste trabalho de pesquisa iniciaram no
levantamento bibliográfico para fundamentar o embasamento teórico necessário para
desenvolver a aplicação RA para dispositivo móvel. Com uma pesquisa exploratória,
pretendeu-se compreender as dificuldades dos alunos no uso do for com a função range
em Python, uma linguagem de programação comum nos períodos iniciais dos cursos de
Computação e Informática. For é o comando utilizado para que um trecho de código
seja repetido uma quantidade fixa de vezes. Já a função range é responsável por gerar
uma lista de valores, a partir de parâmetros (valor inicial, valor limite e incremento)
informados pelo programador. Quando essa função é utilizada no for, é gerada uma lista
dos valores que serão assumidos pela variável que controla a repetição.
A investigação da metodologia (Figura 1) foi dividida em três etapas, e os dados
coletados são de natureza qualitativa e quantitativa. O estudo descrito foi realizado na
Universidade Federal da Paraíba, Campus IV, considerando professores e alunos dos
cursos de Licenciatura em Ciência da Computação (LCC) e Bacharelado em Sistemas
de Informação (SI), mais especificamente discentes da disciplina de Introdução à
Programação.
A metodologia iniciou-se com uma conversa informal com alguns alunos de
turmas iniciais de Programação. Foram feitas perguntas sobre as dificuldades que eles
encontram em utilizar o for com a função range. Os discentes relataram não sentir
dificuldades em utilizar o comando. No entanto, logo em seguida ocorreu a observação
de uma sessão de tutoria, uma espécie de aula de reforço utilizada para tirar dúvidas e
resolver problemas acerca dos conteúdos das aulas de programação. Nesse momento,
observou-se que alguns alunos sentiram dificuldades em resolver problemas básicos
usando o for com a função range, como por exemplo armazenar a soma do contador em
uma variável e gerar uma saída decrescente. Para quantificar as dificuldades dos
discentes, elaborou-se um exercício de sondagem. As perguntas e o resultado do
questionário estão expostos na Figura 3.
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Figura 1. Etapas do desenvolvimento da metodologia
Analisando o gráfico da Figura 2, conclui-se que existem dificuldades no uso do
for com a função range. Nas questões 2 e 3, o índice de erro foi alto, e nas demais
questões também ocorreram diversos erros. Esses aspectos foram usados na aplicação
deste trabalho.
Figura 2. Exercício de sondagem e gráfico com o desempenho dos alunos
Na segunda etapa, algumas tecnologias de RA que poderiam ser utilizadas para
o desenvolvimento de uma aplicação foram investigadas. Em seguida, foram definidos
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possíveis casos (cenários) do for usando a função range que são usados pelos
professores de programação, e foram exploradas possibilidades de marcadores de RA
que seriam utilizados como gatilhos da aplicação. Por fim, foram desenvolvidos os
cenários com conceitos do for usando a função range, as animações explicativas dos
algoritmos e os exercícios propostos. Todos estes elementos estão disponíveis na
aplicação ARDisk, cujos detalhes serão apresentados na seção 4.
A etapa três teve como foco a sondagem do sentimento dos alunos dos cursos
LCC e SI que utilizaram a aplicação ARDisk. Segundo a norma ISO 9241-210: 2010 a
experiência de interação humano computador é baseada nas “percepções de uma pessoa
e as respostas que resultam do uso ou utilização prévia de um produto, sistema ou
serviço”. Essa sondagem subjetiva visava verificar a satisfação dos usuários da
aplicação com relação à aparência, tempo de resposta, conteúdos e, principalmente, a
motivação de utilizar esta aplicação para estudar o referido assunto de programação. Os
resultados serão apresentados na sessão 5.
4. Desenvolvimento
4.1 Escolha da tecnologia
O processo de escolha da tecnologia que foi empregada neste trabalho partiu de uma
investigação em alguns Toolkits disponíveis para o desenvolvimento de aplicações de
RVA. Buscou-se verificar a flexibilidade do toolkit, quanto a: (i) ser gratuito; (ii)
possuir Studio para edição das aplicações; (iii) o tipo de plataforma em que os
aplicativos desenvolvidos podem ser executados; (iv) a forma de representação dos
marcadores e (v) o grau de dificuldade que a ferramenta oferece no desenvolvimento de
aplicações de RA. A Tabela 1 resume os aspectos pesquisados.
Tabela 1. Análise dos sistemas de RA
Possui
Possui Plataforma da Tipo do Dificuldade
Toolkits Grátis rede
Studio aplicação RA marcador encontrada
social
Artoolkit Conhecimento em
Sim Não Desktop Não Símbolos
ferramentas VRML
Flaras Conhecimento em
Sim Não Desktop Não Símbolos
ferramentas VRML
Wikitude Símbolo, imagens, Por ser pago, o Studio é
Não Sim Móvel Não
objetos reais limitado
Augmented Símbolo, imagens Por ser pago, o Studio é
Reality Não Sim Móvel Não
objetos reais limitado
Aurasma Símbolo, imagens Diferenciar marcadores
Sim Sim Móvel Sim
objetos reais semelhantes
Considerando que a aplicação é para uso educacional, buscou-se nos toolkits
investigados, inovações modernas e atributos que permitam o uso por pessoas com
conhecimentos elementares em programação. O intuito é que professores e alunos
possam também desenvolver suas próprias aplicações de RVA. Além disso, deve ser
executado na plataforma móbile, dando uma maior mobilidade para os usuários.
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Dentre os toolkits analisados, o Aurasma foi o que melhor poderia atender aos
objetivos do trabalho proposto. O aplicativo possuía um Studio Web gratuito para
criação de aplicações de RA, como também disponibilizava uma rede social que
permitia que o desenvolvedor compartilhasse suas aplicações publicamente. Outro fator
que beneficiou a adoção do Aurasma é que o aplicativo pode ser instalado em
Smartphones com baixo poder de processamento, e sua facilidade de uso enquanto
ferramenta de desenvolvimento, requisito ausente em outros toolkits de RA
investigados.
4.2 Definição dos casos
No levantamento dos casos, foi feito um estudo de quantos seriam necessários para
suprir as possíveis situações que o comando for usando a função range poderia oferecer.
O resultado foi um conjunto de 24 casos de repetição crescente, decrescente e
igualdade, representados através de um, dois ou três parâmetros (Tabela 2)4.
Tabela 2. Levantamento e seleção dos casos de for usando a função range
Parâmetros Uso
Casos Inicio Limite Incremento F R
*C1 2 5 1 x
*C2 0 3 1 x
C3 3 7 0 x
C4 4 5 0 x
Crescente
*C5 2 8 3 x
*C6 0 10 4 x
C7 3 7 -2 x
*C8 3 7 x
*C9 10 x
*C10 4 x
*C11 -3 x
*C12 4 4 1 x
Igualdade
*C13 2 2 2 x
*C14 4 4 -1 x
*C15 2 2 -2 x
*C16 3 3 x
C17 6 0 -1 x
C18 7 2 -1 x
Decrescente
C19 5 1 -2 x
C20 8 2 -1 x
C21 11 4 -3 x
C22 7 3 0 x
C23 4 1 0 x
C24 10 2 x
4.3 Experimentar as formas de apresentação
4
Para este trabalho, foram selecionados 14 casos (em negrito e com * no identificador), de forma que
se garantisse a cobertura de boa parte das possíveis formas que poderiam ser usadas no for com a função
range, informando três, dois ou um parâmetro, para posteriormente serem usados no ARDisk. A última
coluna indica se o caso é de uso frequente (F) ou raro (R) na resolução de questões, e foi preenchida
considerando a experiência de uma professora da disciplina.
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Para a geração dos marcadores de identificação de RA, foi realizada uma pesquisa da
funcionalidade do Aurasma explorando as formas de captura que o aplicativo oferece.
Para isso, foram confeccionados diversos tipos de cartões (Figura 3), em tamanhos e
cores variados. Por conta de uma limitação da ferramenta, nem sempre era possível
identificar as diferenças entre cartões semelhantes.
Figura 3. Marcadores confeccionados para identificação no Aurasma
Após diversos marcadores confeccionados e testados junto ao Aurasma,
concluiu-se que, para o trabalho proposto, a melhor forma de representação seria através
de um disco, contendo sete casos específicos do for com a função range em cada lado
(Figura 4). Essa escolha se deu pela praticidade que o disco oferece, ou seja, em um
único marcador têm-se sete casos de utilização do for com a função range que poderiam
ser usados no Aurasma.
Figura 4. Disco de identificação de RA com quatorze exemplos
4.4 Implementação dos casos
Um fluxo de navegação foi modelado para facilitar o processo de construção da
aplicação que fará uso do disco (Figura 5). Este compreende cinco partes, a saber: Tela
de apresentação: com botão que direciona ao menu principal (Figura 6); Tela Menu
Principal: contém botões que ativam as telas de conceito, exemplo e atividade (Figura
7); Tela com exemplo interativo de um caso do for com a função range: o usuário pode
usar os botões avançar e voltar para simular a execução do laço (Figura 8); Tela com
Exercício: atividade prática (Figura 9); Tela de conceito e definições: contém
explicações do conteúdo de for com a função range em Python (Figura 10); Tela de
acerto e erro: perguntas e respostas do exercício (Figura 11). Para a criação e edição
das telas, foram utilizados os programas Pencil para prototipagem e o Gimp para edição
e criação de imagens e textos, além do Studio Aurasma.
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Figura 5. Fluxograma de navegação das telas
Para utilizar o ARDisk, o usuário deve ter o Aurasma instalado e ser um
usuário cadastrado. Em seguida, deve-se apontar a câmera do dispositivo móvel para o
disco, ativando a aplicação para ter acesso às telas de RA desenvolvidas neste trabalho.
Após a captura da imagem contida no disco, o usuário é direcionado para as telas da
aplicação (Figuras 6, 7, 8 e 9):
Figura 6. Tela de abertura da aplicação
Figura 7. Menu principal e exemplo interativo de for com a função range
Figura 8. Tela da atividade e outra com conceitos do for com a função range
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Figura 9. Tela contendo uma resposta certa e outra errada
5. Coleta de impressões
Entre os dias 01 e 11 de novembro de 2016, aconteceu o experimento do ARDisk na
UFPB – Campus IV. Trinta e três discentes foram convidados a utilizar o objeto de
aprendizado desenvolvido neste trabalho e, em seguida, responder um formulário
impresso com perguntas objetivas. A sondagem visou a verificar o perfil dos discentes e
a satisfação em relação à aparência, tempo de resposta, conteúdos e principalmente a
motivação para utilizar este objeto de aprendizagem, para estudar o referido assunto de
programação. Os resultados serão apresentado em quatro categorias de gráficos, o
primeiro para sondar o perfil dos alunos (Gráficos 1, 2, 3, 4), os demais para quantificar
através de notas de 0 a 10 a experiência deles no uso do ARDisk (Gráficos 5, 6, 7).
Gráfico 1:Curso dos alunos Gráfico 2:Uso prévio de dispositivo móvel
para aprender programação.
Gráfico 3: Situação na disciplina Gráfico 4: Conhecimento sobre o
Introdução àProgramação uso do for range e Realidade
Aumentada
O universo de participantes contemplou 23 dos 33 alunos do curso de LCC, e 10
dos 33 alunos do curso SI matriculados na disciplina Introdução à Programação. Destes,
a grande maioria (30 dos 33 alunos) não havia, previamente, utilizado o smartphone
como um recurso didático que auxiliasse na aprendizagem de programação.
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No Gráfico 3, observou-se que 14 alunos que responderam o formulário estão
cursando a disciplina de Introdução à Programação pela primeira vez, 13 já cursaram, e
outros 6 estavam cursando novamente. Notou-se que os alunos repetentes não foram
predominantes no teste do ARDisk, fator que poderia ser importante na sondagem.
Quando questionados sobre o seu conhecimento em relação ao uso do for com a função
range e Realidade Aumentada (Gráfico 4), os alunos responderam que já utilizaram esse
comando algumas vezes, e que também usaram a realidade aumentada.
Verifica-se, no Gráfico 5, que os usuários estão satisfeitos quanto à facilidade de
utilizar o ARDisk, bem como com a aparência da aplicação e manuseio do disco. Para
todas as categorias, as notas máximas foram atribuídas pelos respondentes. Outro dado
importante a destacar é que nenhum aluno atribuiu notas abaixo de 7 no quesito de
aparência e usabilidade da aplicação, fator relevante para qualquer software
educacional. O Gráfico 6 evidencia que os alunos atribuíram boas notas em relação ao
conteúdo apresentado pelo ARDisk para aprender a utilizar corretamente o comando for
com a função range. Todas as notas estão acima de 7, indicando que o conteúdo possui
boa aceitação entre os usuários da aplicação. Com relação ao tempo de resposta, as
notas dos alunos foram bastante distribuídas, variando entre 4 e 10, mas predominando
o 10, o que mostra que, mesmo com essas variações, os resultados foram positivos.
Gráfico 5: Facilidade, aparência e manuseio da aplicação
Gráfico 6: Conteúdo e tempo de resposta da aplicação
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Gráfico 7: Motivação em aprender os conteúdos de for usando a função range com
apoio do ARDisk
Verifica-se, no Gráfico 7, que muitos alunos atribuíram nota máxima para o
ARDisk com relação à sua utilidade e motivação em aprender os conteúdos de for com
a função range, e que esse objeto de aprendizagem poderia ser útil nas aulas de
Introdução à Programação. Outro dado importante a destacar é que, a partir das
respostas dos alunos, ficou claro que este objeto de aprendizagem pode proporcionar
aos usuários uma nova maneira de aprender programação, e que é viável adotar esse
tipo de material nas aulas de Introdução a Programação.
6. Considerações finais
Este trabalho abordou o uso da Realidade Aumentada como apoio no processo de
aprendizado do for com a função range em Python utilizando o Aurasma, que é um
aplicativo de fácil acesso para dispositivos móveis. Notou-se que a Realidade
Aumentada é uma tecnologia em crescimento no âmbito educacional, mas, que no
ensino de programação poucas ideias têm sido exploradas.
Uma vez que há diversas linguagens de programação comumente utilizadas nos
períodos iniciais dos cursos de Computação, são oferecidos aos alunos conteúdos de
forma que eles possam visualizar, analisar e até mesmo interagir em tempo real, com
algoritmos ou trechos de códigos de programação; isto pode aumentar a motivação e
favorecer o aprendizado do conteúdo. Com base nos resultados, percebe-se que usar
essas novas tecnologias no ensino de programação é viável e traz efeitos positivos, pois
a tecnologia mostrou ser eficaz para apresentar conteúdos dessa natureza.
O objeto de aprendizagem (ARDisk) desenvolvido neste trabalho possui
limitações, por ser dependente de internet para sua utilização. Para trabalhos futuros,
pretende-se avaliar o ARDisk em ambientes de ensino e aprendizagem de programação,
e verificar o alcance de aprendizado dos alunos após usar a aplicação para apreender os
conteúdos de for usando a função range em Python.
Referência
Cardoso, S. G, R.; Pereira, T. S. ; Cruz, H. J.; Almeida, M. R.W (2014) “Uso da
realidade aumentada em auxilio a educação”. In Computer on the Beach,
Florianópolis/SC.
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International Organization for Standardization. Ergonomics of human system
interaction, 2010, Part 210: Human-centered design for interactive systems (formerly
known as 13407). ISO F±DIS 9241-210:2009,
https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:9241:-210:ed-1:v1:en. acesso em 15/11/2016.
Kirner,C.; Kirner, T.G.; Junior, N.C.; Buk, C.V (2004) “Uso de Realidade Aumentada
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http://www.flexsul.com/arquivos/pdf/noticias/d890b3bcd8fe24d35a25546d52649ff3.
pdf. Acesso em 01/11/2016.
Kirner, C. e Zorzal, E. R. (2011). Jogos educacionais em ambiente de realidade
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Disponível em: acesso em 12/11/2016.
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Tori, R.; Kirner, C.; Ciscouto, R. A.(2006) “Fundamentos e tecnologia de realidade
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478