Proposta de um jogo de Realidade Virtual para o ensino de Física e Biologia por meio da temática Visão e de diretrizes teórico-metodológicas.

## Proposta de um jogo de Realidade Virtual para o ensino de Física e Biologia por meio da temática Visão e de diretrizes teórico-metodológicas

Proposal of a Virtual Reality game for teaching Physics and Biology through the theme Vision and theoretical-methodological guidelines

Fabrício Santos Kalaki 1 , Ricardo Kagimura 2 , Leandro Silva Moro 3 , Priscila Castilho Casassanta Tollendal 4

1 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física/fabricio.kalaki@ufu.br

2 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física/kagimura@ufu.br

3 Universidade Federal de Sergipe/Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática/moroleandrosilva@gmail.com

4 Secretaria de Estado de Educação de Minas Gerais (SEE-MG)/Escola Estadual de Uberlândia-PEB de Física e de Ciências da Natureza e suas Tecnologias/p.cassanta@gmail.com

## Resumo

Neste trabalho apresentamos uma proposta que abarca elementos para um jogo digital baseado na realidade virtual (RV) acessível com o Google Cardboard e conceitos de Física e Biologia dentro da temática Óptica, tópico Visão para estudantes da Educação Básica. Nosso foco é utilizar diretrizes teórico-metodológicas recém formuladas a partir da hierarquização de conteúdos envolvendo a Taxonomia de Bloom Modificada; Storytelling para criar narrativas envolventes e estimulantes; Teoria da Carga Cognitiva para potencializar o aprendizado do estudante; e Aprendizagem Baseada em Jogos Digitais para compreender como os elementos que estruturam essa tecnologia podem mediar alguma aprendizagem. O jogo trabalhará com narrativas e mini-narrativas envolvendo primordialmente três protagonistas: um cachorro, um macaco e uma abelha. Os desafios serão propostos em ordem crescente de complexidade com o intuito de explorar conceitos da Física e Biologia acerca da visão desses animais. Acreditamos que esse trabalho poderá contribuir com o desenvolvimento de futuros jogos digitais educacionais, uma vez que descreverá e implementará a cada etapa essas diretrizes e por meio da realidade virtual pode trazer a ludicidade que estes tipos de jogos carecem para potencializar a aprendizagem de Ciências da Natureza.

Palavras-Chave: Jogo Digital Educacional; Realidade Virtual; Taxonomia de Bloom.

## Abstract

In this work we present a proposal that encompasses elements for a digital game based on virtual reality (VR) accessible with Google Cardboard and concepts of Physics and Biology within the theme Optics and Vision for Basic Education

students. Our focus is to use newly formulated theoretical-methodological guidelines based on the hierarchy of contents involving the Modified Bloom Taxonomy; Storytelling to create engaging and stimulating narratives; Cognitive Load Theory to enhance student learning; and Learning Based on Digital Games to understand how the elements that structure this technology can provide some learning. The game will work with narrative and mini-narratives involving primarily three protagonists: a dog, a monkey and a bee. In addition to challenges in increasing order of complexity in order to explore concepts of Physics and Biology about the vision of these animals. We believe that this work can contribute to the development of future educational digital games, since it will describe and implement these guidelines at each stage and through virtual reality it can bring the playfulness that these types of games lack to enhance the learning of Natural Sciences.

Keywords: Educational Digital Game. Virtual reality; Bloom's Taxonomy.

## Introdução

Historicamente, o ato de jogar é intrínseco à vida humana. Desde os primórdios, os seres humanos se utilizam de artifícios lúdicos para diversas finalidades, seja para fins econômicos, de socialização, entretenimento, e porque não para mediar processos de ensino-aprendizagem. Com isso, os jogos passaram a ter um papel fundamental nas relações sociais e culturais. Muito provavelmente, o primeiro contato da maioria das pessoas com jogos se dá na infância, em que as brincadeiras fazem parte do dia-a-dia. A criação das regras, dos objetivos, e todos esses processos passaram por gerações e servem de base para tantos outros jogos que temos atualmente, sejam eles lógicos ou digitais, e em ambos os cenários, o desenvolvimento e a utilização desses jogos, são fazeres e representações culturais (ALVES, 2003).

Atualmente, os jogos digitais possuem uma importância significativa, sendo mediados por smartphones , tablets , consoles e computadores, com gêneros distintos entre si, se difundindo e englobando públicos muito diversificados. Segundo a Pesquisa Games Brasil (PGB, 2021) no Brasil, 72% dos brasileiros têm o costume de jogar jogos eletrônicos, partindo de 16 anos e ultrapassando os 40 anos; e 72,8% dos entrevistados utilizam jogos apenas para entretenimento. Isso mostra o quão importantes são os jogos para os brasileiros. Mas, sabemos que, os jogos podem ser muito mais do que apenas ferramentas que garantem entretenimento, podem ser artefatos muito úteis na educação (TAROUCO, et al., 2004; SAVI, ULBRICHT, 2008; PAIVA, TORI, 2017).

Nessa perspectiva, podemos utilizar jogos educacionais no ensino de ciências da natureza, principalmente na física, muitas vezes vista como difícil, com alto teor matemático e com algumas abstrações. Assim, esse trabalho tem o objetivo de utilizar diretrizes teórico-metodológicas recém formuladas para a concepção de um jogo educacional digital voltado ao ensino de Óptica na Educação Básica, por meio da utilização da realidade virtual (RV). Esclarecemos que a utilização da realidade virtual tem a finalidade de atrair a atenção dos discentes por ser uma tecnologia emergente e atraente, permitindo-os entrar em um ambiente virtual e aprender por meio dele. Porém, dispositivos de realidade virtual são de custo elevado e, pensando nisso, optamos por utilizar o Google Cardboard , um dispositivo de realidade virtual feito de papelão que foi desenvolvido pela empresa de

tecnologia da informação e comunicação Google com a finalidade de contribuir com a inovação nas salas de aula sem precisar de expressivos investimentos.

## Fundamentação teórica

Os jogos que possuem outra finalidade além do entretenimento são chamados serious games (SG) ou jogos sérios. Um exemplo é o jogo com foco educacional, que será o objeto desse trabalho . Um dos desafios dos SG e, consequentemente, dos educacionais é ser atrativo e lúdico, já que não tem o entretenimento como meta. Um jogo com baixa atratividade e ludicidade pode levar à falta de engajamento cognitivo dos alunos e à perda de foco , podendo gerar um resultado oposto ao que se espera de um jogo pensado em processos de ensino-aprendizagem. Mortara et al. (2014) propõem que os SG podem conter o aspecto divertido que colabore para o aprendizado:

[...] A principal característica de um SG é o objetivo de apoiar o jogador para atingir a meta de aprendizagem por meio de uma experiência divertida. O aspecto divertido de um SG pode potencializar engajamento e ser determinado por fatores como, storyboard, gráficos, usabilidade, colaboração/mecanismos de competição e interação de dispositivos. O aspecto de aprendizagem implementa uma abordagem pedagógica, estruturando o conteúdo educacional e organizando sua apresentação. (MORTARA et al. , 2014, p.1, tradução nossa).

Nesse sentido, acreditamos que os jogos digitais não se limitam ao manuseio de tecnologias, variáveis e coengendramento de estratégias. Enquanto fenômenos, estão imbricados por interesses e desejos para atingir determinados fins; levantamentos e testes de hipóteses; tensionamentos; tomadas de decisão; acertos e falhas; exigência e desenvolvimento de conhecimentos; habilidades e competências; fases ou níveis, avanços e retrocessos inerentes aos processos educativos.

Pensando nisso, optamos em trabalhar a hierarquização dos conteúdos apresentados no jogo, baseados na taxonomia de Bloom Modificada (KRATHWOHL, 2022), a qual será explorada na próxima seção por meio da estruturação do jogo. Tal taxonomia é um recurso promissor para ser implementado dentro dos SG, no nosso caso, é possível trabalharmos quatro habilidades do domínio cognitivo, considerando diferentes níveis cognitivos: (re)lembrar, o que implica reaver conhecimentos relevantes da memória de longo prazo; compreender, (re)construir significados a partir de comunicações gráficas, mensagens orais e escritas; aplicar, executar procedimentos em determinadas ou novas situações; e analisar, particionar um material, ou seja, dividi-lo em suas partes constituintes, e estabelecer relações entre elas. Mesmo com esse recorte, do aporte teórico esperamos, em algum nível, auxiliar os estudantes nos processos de internalização, ou seja, na transformação de informações em conhecimentos.

Além de fomentar o engajamento do estudante, podemos por meio da taxonomia de Bloom Modificada (KRATHWOHL, 2022) apresentar os conteúdos em ordem crescente de complexidade. Outro ponto importante a ser destacado quando se trabalha jogo educacional é a narrativa principal e as narrativas secundárias constituintes. Conjecturamos que narrativas envolventes e estimulantes são aquelas cuja progressão do enredo do jogo conseguem despertar a atenção do jogador e

proporcionar uma experiência mais lúdica, entretanto, como dito anteriormente, os SG normalmente não dão muita atenção a essa variável, sendo pouco explorada. De acordo com Teixeira et al. , (2017, p. 3):

- [...] o uso das narrativas poderia ser mais explorado nos vídeo games educativos, pois suas características afetivas, e lúdicas além de trazer a empatia e auxiliar a memorização dos conteúdos pedagógicos são capazes de potencializar a retenção da informação.

Como as narrativas nem sempre são bem trabalhadas em jogos educacionais, procuramos analisar e incorporar tanto uma narrativa principal que envolve desafios e atividades presentes no jogo, bem como, desenvolver narrativas secundárias que com potencialidades ativas (demandam envolvimento, superação de desafios, resolução de problemas, construção de conhecimentos a partir de elementos do jogo e das experiências prévias dos indivíduos); e possuam começo, meio e fim. A proposta de roteiro apresentada pelos referidos autores nos mostra como é possível explorar os pilares de uma narrativa e deixá-la mais atraente e envolvente. Os pilares apresentados são: história, trama, cenas, personagens, diálogos, ação emocional e ação física. No entanto, fizemos alterações pontuais consoantes às nossas necessidades, como adicionar conceitos da física e biologia no desenvolver das narrativas, por exemplo. Os jogos com potencial educacional possuem desafios profícuos e não podem desconsiderar a diversidade de estilos de aprendizagem dos estudantes. Esses desafios são desenvolvidos a partir de níveis de dificuldade gradativos. Todavia, os desafios precisam ser coerentes com as teorias psicopedagógicas do jogo e, ainda mais importante, ter os objetivos de ensino-aprendizagem muito bem definidos, ou seja, quais serão os ganhos esperados à medida que o aluno supera os desafios (CASASSANTA, 2017). Para a elaboração desses desafios, a teoria da carga cognitiva (Sweller, Ayres, Kalyuga, 2011) se torna uma alternativa substancial para alinhar os objetivos educacionais e cognitivos.

- O objetivo da Teoria da Carga Cognitiva (Sweller, Ayres, Kalyuga, 2011) é buscar estratégias para diminuir a sobrecarga cognitiva, ao fazer isso, é possível potencializar o aprendizado do aluno. E por isso, a memória de trabalho é um conceito, cuja compreensão é necessária. Ela faz parte da arquitetura cognitiva que também é formada pelos canais receptores de informação (visual e auditivo) e a memória de longo prazo que armazena as informações formando esquemas.
- A memória de trabalho é responsável pelo processamento da nova informação e tem capacidade limitada, ou seja, se os conceitos Físicos e Biológicos não estiverem bem estruturados, pode prejudicar a aprendizagem dos discentes.

Sendo assim, no jogo que propomos desenvolver, as novas informações referentes aos conceitos físicos e biológicos da visão dos animais, precisam ser apresentados de modo auditivo e visual além de respeitarem o nível cognitivo do jogador aprendiz (estudante), objetivando diminuir a sobrecarga cognitiva, já que nesse processo de construção de conhecimentos interdisciplinares, os conceitos relacionam-se entre si.

- O pesquisador Paul Gee (2013) defende a ideia de que bons jogos educacionais se baseiam em bons princípios de aprendizagem. Os jogos são ferramentas lúdicas que podem ajudar o professor durante o processo de ensino-aprendizagem, porém, em alguns cenários, os jogos educacionais são utilizados de forma precipitada.

Isso implica que, antes de se utilizar jogos educacionais, é necessário atentar-se aos métodos de ensino, se estão adequados para ser possível a utilização dos jogos como mediadores. Ainda no mesmo trabalho, Paul Gee (2013), argumenta que os alunos não aprendem com generalizações e abstrações, mas sim, por experiências enriquecedoras, porém, esse processo de produzir conhecimentos por meio dessas experiências leva tempo e, para mitigar esse problema, é primordial que essas experiências sejam bem projetadas e orientadas transversalmente por um bom ensino (intensidade de formação humana), concomitante a esse processo, os jogos acabam se tornando um recurso útil no processo de ensino-aprendizagem e na resolução de problemas. O autor ainda considera uma sequência de aspectos metodológicos a respeito de como os jogos com potencial educativo ensinam:

- ● Elaboração/ordenação lógica dos problemas;
- ● Fornecimento de ferramentas ao jogador para resolver os problemas;
- ● Clareza quanto aos objetivos a serem realizados, considerando a motivação do jogador;
- ● O desempenho vem antes das competências, inserem experiências e ações precedentemente a palavras e textos;
- ● Proporcionar feedbacks ao jogador, para que o jogador se sinta sempre desafiado;
- ● Promover interações sociais;
- ● Prover novos reptos a cada nível do jogo, considerando o domínio cognitivo do jogador, o que foi aprendido no nível anterior, chamado de 'ciclo de especialização';
- ● A narrativa é usada de dois modos diferentes:
- · no primeiro, deixar claro para o jogador o significado e a razão de sucessão dos acontecimentos;
- · no segundo, permitir ao jogador criar suas próprias histórias, por meio das escolhas que fizeram ao longo do jogo;
- ● Permitir aos jogadores a resolver os problemas de maneiras distintas, mesmo que o desafio seja padrão para todos os jogadores;
- ● Promover uma preparação para o aprendizado futuro;
- ● Fazer com que os jogadores pensem como os desenvolvedores, para poder jogar o jogo. Buscando compreender as regras do jogo e como podem ser utilizadas para alcançar objetivos. Além de permitir modificações no jogo, por exemplo, criar novos níveis, se utilizando de softwares com o qual o jogo foi produzido.

Como a proposta é utilizar a realidade virtual, todo o conteúdo presente no jogo precisa ser cuidadosamente pensado, para evitar problemas que desmotivam o jogador. Segundo Desurvire e Kreminski (2018), para melhorar a experiência do usuário ao utilizar a RV, é necessário pensar nos seguintes aspectos: presença, incorporação, ética e fisicalidade. A presença é um dos pontos-chave para a imersão, pois faz com que o jogador se sinta fisicamente presente no ambiente virtual, portanto, o cenário precisa ser bem coerente para preservar essa sensação. A incorporação está diretamente relacionada com a presença. Na incorporação o jogador tem a sensação de estar habitando o corpo do personagem. Porém, segundo os autores, a incorporação precisa ser acompanhada de um cuidado ético, principalmente se o papel que o jogador irá assumir, envolve violência. Mas eles também ressaltam que, manter esse processo de "realidade" para o jogador é o que os mantém interessados.

- O aspecto físico é um ponto fundamental, porque, diferentemente dos jogos tradicionais, os jogos de RV tendem a oferecer maior esforço físico, como, movimentar somente a cabeça, os braços e pernas ou usar o corpo todo para jogar. Logo, é importante sempre preservar o conforto do jogador, a fim de evitar problemas de saúde, como, tonturas, enjoos, desmaios. Desse modo, a ideia é nunca gerar esforços que estão acima das condições dos jogadores.

## Estruturação do jogo

Nessa seção descreveremos a estrutura do jogo e como as diretrizes citadas anteriormente são inseridas no contexto do jogo. Portanto, o design do jogo foi dividido entre, narrativa principal e secundária e os desafios, sendo todos esses elementos centrados em utilizar os conceitos físicos e biológicos concomitantes ao aporte teórico-metodológico. Ademais, o jogo atualmente consta com três animais, protagonistas do jogo, um cachorro, uma abelha e um primata. Na narrativa principal, toda a história acontece a partir de um sonho do personagem controlado pelo jogador, onde o objetivo de utilizar o ato de sonhar é uma proposta educativa aberta, pois nos permite sermos mais criativos em relação ao mundo que será apresentado e aos personagens. A história começa aproximando uma situação da realidade do aluno, no caso, a visita a um parque municipal , realizado pela escola. Toda a sequência que será apresentada para o jogador, será narrada, ou seja, o jogador não irá jogar no cenário do parque, mas sim, no cenário do sonho, bem como, o quarto do personagem e os três animais mencionados serão apresentados de modo secundário, durante a narração de como foi o dia do personagem.

- O quarto do jogador funcionará como um hub , um local em que ele poderá interagir com a cama para iniciar a aventura e, também, realizar as atividades que trabalharam o (re)lembrar, presente na taxonomia de Bloom Modificada (KRATHWOHL, 2022). Essas atividades constituem em fornecer uma situação, em que, o jogador precisará utilizar todo o conhecimento adquirido para poder acordar, caso ele não acorde, dentro do tempo estabelecido, o jogador falhará e terá que repetir a atividade novamente. A seguir serão listadas as narrativas secundárias, os objetivos, desafios, níveis de dificuldade e a metodologia.

## Cenário 1: Tutorial

O objetivo do tutorial é apresentar os conceitos básicos de jogabilidade do jogo, como, movimentação e interação. O tutorial também apresentará os conceitos básicos sobre o comportamento da luz e a teoria das cores, conteúdos que serão fundamentais para a progressão nos níveis seguintes. O personagem principal será guiado no decorrer do nível, pelo professor de física, que dias antes, estava ensinando à turma os conceitos básicos de óptica.

No tutorial, o jogador tem como desafio utilizar itens no cenário que emitem luz, sendo branca e com as demais cores, principalmente as primárias. Para prosseguir no nível, o jogador terá que utilizar estes itens e iluminar objetos que refletem um determinado tipo de cor . Ao incidir a luz correta no objeto correto (casamento de cores), o jogador irá descobrir, por meio da narração do personagem do professor, os conceitos do comportamento da luz e a teoria das cores, sendo o nível de 'fácil dificuldade'. O elemento referente a taxonomia de Bloom Modificada (KRATHWOHL, 2022) é a compreensão dos conteúdos. Nota-se também aqui que foi trabalhado apenas um conceito de Física, seguindo a Teoria da carga cognitiva. Também aproveitamos essa fase de treinamento e inserimos um desafio de tal forma que essa fase de treinamento fique mais atrativa para o jogador.

## Cenário 2: Cachorro

No cenário 2, o objetivo do jogador será descobrir, o porquê a visão que até então era normal, ficou preto e branco. O cachorro, apresentado na introdução do jogo, irá guiá-lo durante o nível, será o animal que ensinará ao jogador os conceitos principais sobre a visão dos cachorros. No segundo cenário, o jogador irá encontrar outros personagens que estão presos, os personagens são os fotorreceptores, cones e os bastonetes, que estão inativos. O cachorro pedirá ao jogador que os ative novamente. Para este primeiro desafio, o jogador precisará descobrir qual o comprimento de onda referente aos cones do cachorro, o comprimento de onda é uma informação que estará escondida. No segundo desafio, o objetivo é ativar o bastonete, para isso o jogador precisará descobrir qual a luminosidade correta compreendida. Nesse cenário são trabalhados os aspectos visuais e auditivos, com a compreensão de novas informações, o (re)lembrar e aplicação, ancorados na taxonomia de Bloom Modificada.

## Cenário 3: Abelha

No cenário 3, o objetivo é auxiliar a abelha a retomar o processo de polinização, que foi interrompido por uma erva daninha, impedindo as abelhas de se aproximarem das plantas. O jogador precisará derrotar o inimigo utilizando os conhecimentos sobre a visão das abelhas. A abelha irá fornecer a informação e o jogador terá que buscar os recursos necessários que estão presentes no cenário. A erva daninha possui uma aura escura, para derrotá-la, o jogador precisará conhecer o espectro visível das abelhas. O desafio possui nível de 'dificuldade médio', pois, além de conhecer uma nova informação, terá que se adaptar a uma situação diferente. No cenário da abelha, também estão relacionados aspectos importantes da teoria da carga cognitiva, o visual e auditivo, juntamente com os aspectos da taxonomia de Bloom Modificada, sendo eles, o (re)lembrar, compreender e aplicar.

## Cenário 4: Macaco

No último cenário, o jogador irá conhecer sobre o funcionamento da visão do macaco, brincando com ele. O jogador irá brincar de caça ao tesouro, e as pistas para chegar até o animal estão espalhadas por todo o cenário, para dificultar o desafio, existem pistas incorretas. Para que o jogador possa prosseguir, ele deverá utilizar os conhecimentos adquiridos no cenário 1, 2 e 3, como utilizar itens que revelam segredos para verificar quais são as pistas corretas, retirar a aura escura de certas regiões para poder investigar, o personagem também irá indicar verbalmente se o jogador está 'quente' ou 'frio', ao todo, são cinco pistas, encontrada às cinco, o macaco irá revelar como sua visão funciona, por envolver mais elementos, o nível é considerado difícil. Assim como apresentado nos cenários anteriores, o cenário quatro faz uso da teoria da carga cognitiva, com a integração de dados, o jogador cria a sua própria história.

## Conclusão

Nós apresentamos algumas diretrizes teórico-metodológicas e propomos formas de implementá-las na produção de um jogo educacional, na perspectiva interdisciplinar em RV. Esperamos que esse trabalho possa contribuir para o desenvolvimento de futuros jogos digitais educacionais, uma vez que descreverá e implementará cada etapa dessas diretrizes por meio da realidade virtual acessível com o Google Cardboard trazer a ludicidade que estes tipos de jogos carecem. Aliar

conhecimentos específicos com ludicidade em Jogos educacionais, é um desafio e a nossa proposta apresenta características de como desafiar, entreter e ensinar oferecendo experiências significativas aos jogadores, além de um olhar cuidadoso aos conceitos de Física e Biologia ancorados em elementos teóricos-metodológicos. Por fim, temos a expectativa de aplicá-lo em uma sala de aula para verificar e potencializar a sua eficácia.

## Referências

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