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|title=Uso da Realidade Aumentada no auxílio do ensino de Sólidos Geométricos e Geometria Molecular
(Use of Augmented Reality to aid in the teaching of Geometric Solids and Molecular Geometry)
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==Uso da Realidade Aumentada no auxílio do ensino de Sólidos Geométricos e Geometria Molecular
(Use of Augmented Reality to aid in the teaching of Geometric Solids and Molecular Geometry)==
https://ceur-ws.org/Vol-2117/EPoGames_2017_AR_paper_15.pdf
Uso da Realidade Aumentada no auxílio do ensino de
Sólidos Geométricos e Geometria Molecular
Matheus A. M. Lucena, Éwerton Rômulo S. Castro
UniFacisa – Centro Universitário
Av. Senador Argemiro Figueiredo, 1901 – 58.411-020 – Campina Grande - PB – Brasil
mmelucena@gmail.com, ewertonromulo@gmail.com
Abstract. This current article shows problems in the actual education model in
Geometry and Chemistry areas in point of third dimensional visualization of
appropriated subjects. Also propose the creation of an Augmented Reality
system that have as objective turn the knowledge achievement simple and
effective by the students. The related articles analyzed presents that the
insertion of this technology on classrooms assist the knowledge exchange and
broke barriers on the teaching learning process, turning the knowledge
achievement an easy and organized task.
Resumo. O presente artigo mostra os problemas no atual modelo de ensino de
áreas como Geometria e Química no quesito de visualização em três
dimensões de assuntos pertinentes. O trabalho também propõe a criação de
uma aplicação em Realidade Aumentada cujo objetivo é facilitar a obtenção
do conhecimento pelos alunos dos temas em questão. A análise dos trabalhos
relacionados mostra que a inserção dessa tecnologia na sala de aula auxilia a
troca de conhecimento e quebra barreiras do ensino-aprendizado, tornando a
obtenção do conhecimento uma tarefa mais fácil e organizada.
1. Introdução
A educação é um pilar para o desenvolvimento humano, haja vista sua característica
como um processo de descobrimento e experimentação, [Souza, 2015]. Porém, o
modelo tradicional de ensino se mostra desinteressante para uma parcela das pessoas,
deixando-os sem vontade de construir o conhecimento. A geometria e química são
matérias críticas que envolvem visualização em 3 dimensões de objetos estudados, tido
como um passo importante pois os alunos estão melhores preparados para tarefas
escolares quando adquirem instrumentos de pensamentos e competências geométricas
espaciais [Breda, 2011].
Rogenski e Pedroso (2007), através de experiências na prática pedagógica, constataram
a dificuldade de alunos do ensino médio na geometria, ocasionada pela deficiência da
visualização na Geometria Espacial. Foi verificado que quando o aluno é apresentado a
cálculos de área e volume, o assunto torna-se mais complexo e realizado de forma
mecanizada. O mesmo acontece com a química. Ferreira (2010), afirma que a
habilidade de abstrair para 3D permite que os alunos reflitam, comuniquem e atuem
sobre os fenômenos químicos, auxiliando-os a construir sua compreensão sobre temas
complexos de química, tal como geometria molecular e ligações entre átomos (Usberco;
Betolla; Abreu, 2013).
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Potenciais melhorias são percebidas agregando técnicas computacionais ao atual
modelo de ensino [Filatro; Piconez, 2004]. Admitindo como objetivo a motivação dos
alunos e a construção do conhecimento de assuntos de geometria e química, sugere-se o
uso da Realidade Aumentada. Esses sistemas permitem interação do usuário
diretamente com o assunto estudado, dando oportunidade de o aluno construir sua
própria percepção. Esse tipo de aplicação permite que o aluno não apenas ouça falar
sobre determinada temática, mas interaja com o ambiente, seja observando, tocando e
movendo [Braga, 2001; Valerio Netto, 1998], trazendo para a sala de aula a chance de
os alunos experimentarem a construção do conhecimento através de outro ponto de
vista, oferecendo um leque de possibilidades por meio da interação com o ambiente.
Este artigo tem como objetivo estudar e buscar métodos para inserir a Realidade
Aumentada a fim de auxiliar educadores a mediar os assuntos de sólidos geométricos,
geometria molecular e ligações entre átomos; objetiva também propor uma aplicação e
desenvolvê-la, a fim de tornar a visualização das informações mais intuitiva e simples.
2. Fundamentação Teórica
Segundo Zorzal (2007), a crescente difusão da informação e do conhecimento acelerado
pela explosão informacional traz uma dificuldade de análise, compreensão e utilização
das informações, tornando grande parte dos dados disponíveis irrelevantes para o
usuário. Alguns dados também podem ser perdidos ou esquecidos pelo fato do usuário
não conhecer o relacionamento entre eles. Neste âmbito, a visualização das informações
se mostra um campo de estudo a ser explorado, pois faz uso de meios para representar
informações de forma clara.
Algumas técnicas de Visualização de Informações, segundo Keim (2002), são as
técnicas de Projeções 2D/3D, baseadas em projeções geométricas, em ícones, orientadas
a pixels e as hierárquicas. Partindo do fato de que a interface que permite a
comunicação do ser humano com a máquina precisa ter mais imagens que palavras e
possuir recursos de áudio e vídeo [Chalmers, 2003], torna-se imprescindível a
implementação de um sistema inteligente e interativo, capaz de se comunicar com o
usuário de forma natural. O meio mais acessível para a implantação dessas tecnologias é
através de dispositivos portáteis, nos quais cada usuário tem liberdade para visualizar o
objeto de sua perspectiva individual.
Segundo Ferk et al (2003), para atingir um nível satisfatório na relação ensino
aprendizagem, é necessário desenvolver a habilidade de visualização, denominada
letramento visual. Uma pessoa letrada visualmente, como sugerem os autores, possui as
seguintes competências:
- Interpretar, compreender e apreciar o significado de mensagens visuais;
- Comunicar mais eficazmente através da aplicação dos princípios básicos do design
visual;
- Produzir mensagens visuais usando o computador e outras tecnologias;
- Usar o pensamento visual para encontrar soluções para os problemas.
O Mobile Learning ou m-Learning é nome dado ao conceito que envolve uso de
dispositivos de comunicação sem fio como parte de um modelo de aprendizado
integrado [Nyiri, 2002]. O papel dos educadores, a partir da implementação de Sistemas
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de Realidade Aumentada, poderá ser modificado, trazendo diversos benefícios para o
sistema de ensino-aprendizagem.
A Realidade Aumentada (RA) é a sobreposição de objetos virtuais gerados por
computador utilizando a interface do ambiente real, por meio de um dispositivo
tecnológico. O usuário possui segurança no mundo real pois não é inserido em outros
contextos como a Realidade Virtual promove, mas interage com objetos tridimensionais
em ambiente real previamente adaptado.
A RA tem modificado a realidade educacional com o auxílio da tecnologia, acabando
com velhos paradigmas e trazendo um grande potencial no que se diz respeito à
interação e motivação de alunos e professores, construindo um campo educativo fora
das salas de aula. Isso porque os recursos móveis como smartphones levam informações
em tempo real e preciso, otimizando o aprendizado das áreas ativas do cérebro que são
essenciais para minimizar a insuficiência dos sistemas educacionais tradicionais [Silva;
Oliveira; Oliveira, 2012].
Viabilizar a RA em âmbito escolar leva o aluno a descobrir um novo ambiente de
aprendizado, proporcionando a interação do mundo real ao virtual, dando-o a
capacidade e a oportunidade de aprender a adquirir conhecimento, além de livros
didáticos e da sala de aula convencional, possibilitando-o a ir buscar conhecimentos em
lugares longínquos, inalcançáveis antes da RA.
3. Trabalhos Relacionados
Cardoso et al. (2014) viu a necessidade de adicionar recursos tecnológicos ao sistema de
ensino sobre Informática e propôs a aplicação RAINFOR, um software que exibe
objetos em 3 dimensões. Desenvolvida com uso da API FLARToolkit, a aplicação tem
como objetivo prover objetos 3D que representem componentes computacionais, como
discos rígidos, placas e gabinete, facilitando o entendimento de idosos com pouco ou
nenhum conhecimento em informática sobre o tema “Informática Básica: Hardware e
Software”. Após implementação e aplicação, os alunos se mostraram motivados com a
possibilidade de interatividade e com a facilidade de uso da ferramenta. Na visão do
professor, verificou-se que a ferramenta facilitou a explanação do conteúdo, permitindo
a demonstração dos componentes sem os possuir fisicamente durante a aula. Em
seguida foi aplicado o questionário aos alunos e todos responderam que a ferramenta
facilitou sua aprendizagem, repercutiu na capacidade de memorização e se sentiram
mais motivados a aprender sobre o assunto.
Almeida (2015), após analisar os métodos tradicionais de ensino, concluiu que a
tecnologia torna a aprendizagem mais atrativa aos alunos. A alternativa proposta foi
aplicar um software que fornece conteúdos que utilizam realidade aumentada em um
conjunto de 29 discentes do 9º ano do ensino fundamental. Inicialmente, o professor
realizou a explicação do Teorema de Tales com métodos tradicionais e observou a
dificuldade dos alunos de assimilarem o conteúdo; em seguida foi realizado um
questionário medindo o nível do conhecimento que tinha sido absorvido. Em seguida,
foi apresentado o mesmo assunto utilizando a realidade aumentada, e logo após, um
novo questionário. Após levantamento dos resultados, foi observado que 100% dos
alunos consideraram o método de ensino com a RA excelente e que o interesse pelas
aulas aumentou. Foi verificado também que após o uso da tecnologia, houve uma
redução de 24% nos erros relativos ao Teorema de Tales.
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4. Problemas
Os problemas enfrentados por educadores de matérias que exigem a visualização das
informações de forma tridimensional são sérios e a ausência dessa habilidade acarreta
uma série de incompetências, como descritas por Ferk et al (2003). A forma como essa
visualização das informações é feita no modelo tradicional de ensino é através de
desenhos ou materiais manipuláveis, ferramentas que nem sempre o professor dispõe
para dar aula. As matérias que mais necessitam desse letramento visual são a Geometria
e a Química.
4.1. Geometria
Dentro das áreas da geometria (plana, espacial e analítica), a Geometria Espacial é a
ênfase desse trabalho, pois tenta corrigir problemas associados ao ensino dos temas
abordados proporcionando a visualização de formas geométricas e explorando
possibilidades dos sólidos, fazendo assim com que os cálculos de propriedades dos
sólidos deixem de ser um ato mecânico e facultando o entendimento integral dos
quesitos área e volume das figuras apresentadas. A figura 1 ilustra o cilindro da forma
tradicional de ensino e os cálculos de área e de volume, descritas como uma dificuldade
recorrente [Rogenski; Pedroso, 2007]. A figura em 3D do lado esquerdo serve como
marcador para enxergar o cilindro em RA através do aplicativo resultado deste trabalho.
Figura 1. Marcador para visualização 3D no aplicativo e cilindro apresentado
junto a suas propriedades.
4.2. Química
A química, ciência relativamente nova, busca reconhecer a compreensão do significado
real dos fenômenos químicos, estudando a matéria e as mudanças que ela sofre. Essa
disciplina se torna importante, pois faz os alunos entenderem a composição das coisas
que os cerca, e mesmo que não consigam enxergá-los a olho nu, o entendimento dessa
ciência proporciona desenvolvimento de uma visão crítica do mundo. No ensino da
química, Cruz (2013) enxerga uma dificuldade de visualização tridimensional das
estruturas, especialmente em ligações covalentes, assunto essencial para o entendimento
da matéria. Uma molécula formada de 60 átomos de carbono, denominada
Buckminsterfulereno possui uma visualização 2D comprometida. Essa molécula possui
carbonos em seus vértices e é formada por 32 faces, sendo 20 hexágonos e 12
pentágonos que entre suas ligações, são vistas as ligações covalentes duplas e simples.
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Assim como no cilindro, a figura 2 possui um marcador para visualizar a molécula em
RA através do aplicativo e a foto do resultado.
Figura 2. Buckminsterfulereno e marcador para visualização em 3D.
5. Método
A solução proposta neste trabalho é uma aplicação construída para dispositivos móveis
com intuito de tornar a visualização das informações nos assuntos mencionados mais
efetiva para os usuários. Foi escolhida a criação da aplicação para dispositivos portáteis
tendo em vista a participação massiva dos smartphones e tablets na vida dos alunos
considerados nativos digitais. A metodologia utilizada na pesquisa é quantitativa, pois o
software será aplicado em alunos do ensino médio com o propósito de coletar dados
para análise. Com intuito de validar o software através de experimentos com estudantes,
a pesquisa caracteriza-se experimental.
5.1 Modelos utilizados
A adição de dispositivos móveis para a obtenção efetiva do conhecimento através de um
software direcionado busca graus satisfatórios quanto ao ensino aprendizagem. Para
desenvolvimento do protótipo da aplicação, foi utilizado o software Unity3D[Unity,
2017], um software voltado para criação de jogos digitais; o framework Vuforia
[Vuforia, 2017], designado para desenvolvimento de aplicações em RA; além do
Blender 3D [Blender, 2017], programa de modelagem utilizado para a criação dos
modelos químicos e geométricos. Após download e configuração do ambiente, foram
escolhidos marcadores QR Code, pois baseado em guias em sua composição, permite
que haja detecção de posição e alinhamento. Testes realizados comprovaram que eles
oferecem qualidade 5 de 5, enquanto os marcadores gráficos apontaram para 3 pontos
dos 5.
Os modelos moleculares e os respectivos dados foram todos criados no Blender 3D e
animados no Unity3D, enquanto os modelos geométricos foram implementados
diretamente no Unity3D deixando para o Blender a tarefa de realizar os modelos dos
textos referentes aos dados dos sólidos. As moléculas foram animadas para permitir um
ângulo de visualização da estrutura de 360 graus para alunos ao redor. Não foi utilizado
animação nos modelos geométricos para permitir o descobrimento da
tridimensionalidade através da movimentação do aparelho ao redor do marcador.
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6. Conclusões
Após estudos e análises, foi observado o papel fundamental da habilidade de
visualização em 3D das informações, além das dificuldades apresentadas por autores
especificamente nos assuntos de sólidos geométricos e suas propriedades, geometria
molecular e ligações entre átomos. Baseando-se nos resultados de artigos relacionados,
percebe-se que o uso da Realidade Aumentada no auxílio à construção do conhecimento
nas salas de aula é efetivo e aumenta o grau de interesse dos usuários, independente da
idade.
Após a criação do protótipo proposto nesse artigo e da manipulação de imagens 3D nos
dispositivos móveis, verificaram-se informalmente melhoras na visualização em 3D das
figuras, tornando o ambiente de aprendizado mais dinâmico e divertido através de
experiências com o aplicativo e acompanhamento oral e informal dos resultados.
Um grupo de 10 estudantes do ensino médio foi apresentado ao aplicativo e pedido para
que dissessem individualmente o que acharam da metodologia. Segundo um deles,
“teria aprendido muito mais se existisse essa aplicação quando estava aprendendo
química”. Todos concordaram.
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