Laboratório Virtual de Eletrodinâmica

## LABORATÓRIO VIRTUAL DE ELETRODINÂMICA

Paula Teixeira Nakamoto - paulanakamoto@bol.com.br 1 Alexandre Cardoso 1 - alexandre@ufu.br Edgard Lamounier Júnior - lamounier@ufu.br 1 Elise Barbosa Mendes - elise@uf.br 2 Eduardo Kojy Takahashi 3 - ektakahashi@ufu.br

1 Faculdade de Engenharia Elétrica , Faculdade de Letras, Faculdade de Física 2 3 Universidade Federal de Uberlândia Av. João Naves de Ávila - 2160, Santa Mônica Uberlândia - MG - Brasil

Resumo. Este artigo apresenta o protótipo de um Laboratório Virtual de Física, destinado a alunos do Ensino Médio. A motivação deste trabalho diz respeito ao pequeno acesso que esses alunos têm a laboratórios de tal disciplina em suas escolas e a particular dificuldade de aquisição de componentes. Utilizando técnicas de Realidade Virtual, baseadas em tecnologia Internet, o sistema simula um ambiente virtual para experimentos, a baixo custo computacional e financeiro. Para garantir um ambiente com características pedagógicas sustentáveis, foi utilizado o paradigma de Mapas Conceituais para ajudar o aluno a organizar-se, e adaptar-se aos conceitos trabalhados. O artigo destaca a estratégia de desenvolvimento e organização do sistema.

## Palavras-Chave

Mapas Conceituais, Realidade Virtual, Ensino de Física, Educação à Distância.

## 1. Introdução

Com a disseminação da Internet e a pesquisa ostensiva do uso de computadores na Educação, aumentam-se as possibilidades da busca de informações, e as pessoas querem cada vez mais se aperfeiçoar no processo de acesso e processamento dessas informações [Ellis 1994], [Hamit 1993], [Kirner 2004]. Comumente, apresentam-se dificuldades de recursos que possibilitam melhor aprendizado. Como exemplo, é grande o número de escolas de Ensino Médio que não possuem laboratórios de Física provendo condições aos estudantes de praticar conceitos trabalhados em sala de aula. Outro detalhe importante é que os livros de eletricidade trazem somente a simbologia dos dispositivos elétricos (resistores, capacitores, fontes etc), dificultando a familiarização do aluno com dispositivos reais.

A motivação deste trabalho é criar um sistema que simule um ambiente virtual para experimentos de Física, a baixo custo computacional e que permita aos alunos a criação, análise e simulação de circuitos elétricos reais. A escolha por técnicas de Realidade Virtual (RV) está relacionada com a grande demanda do uso destas técnicas, como aprendizado e treinamento nas mais diversas áreas de conhecimento tais como Educação, Medicina etc [Andrade; Wazlawick; Cruz 1998].

Ambientes virtuais de fácil entendimento, acoplados a processos educativos, motivam um aluno com a possibilidade de visualizar, interagir e realizar experiências que só poderiam ser efetuados em laboratório, catalisando o processo de ensino e aprendizagem [Pelizzari; Kriegl; Baron 2002]. A possibilidade de imersão, por meio de RV, potencializa o aprendizado [Pinho 1998]. É importante que o sistema suporte uma interface intuitiva e amigável até para o usuário menos experiente.

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- O objetivo deste trabalho é, por meio de um projeto multidisciplinar que abranja especialistas da área de Realidade Virtual, Pedagogia e Física, propor um software relacionado com ambientes virtuais que permita o ensino de Física no Ensino Médio, com maior qualidade.

Para que o sistema possa ser mais facilmente compreendido pelo aluno, ele é dividido em quatro partes: 1) Um 'help', para orientar o aluno a utilizar o sistema (navegador Cosmo Player [Silicon Graphics 2004] e a simulação); 2) um mapa conceitual para a organização e a distribuição dos conceitos relacionados com o fenômeno em questão; 3) um ambiente de simulação; e 4) um ambiente para a avaliação da aprendizagem significativa (Construção de Circuitos).

As seções seguintes destacam aspectos relevantes para a criação desse sistema, ressaltam detalhes do desenvolvimento do ambiente virtual e mostram alguns resultados de implementação.

## 4. Arquitetura do Sistema

O sistema proposto possui uma interface que permite que professores e alunos desenvolvam experiências de forma ágil, simples, sem necessidade de conhecimentos técnicos relacionados à Informática, nem conhecimentos anteriores sobre a matéria em questão, pois o sistema contém os Mapas Conceituais que são utilizados para auxiliar na organização e distribuição dos conceitos relacionados aos conteúdos a ser desenvolvidos, ele oferece aos estudantes uma visão entre as partes e o todo conceitual, bem como uma estrutura de redes semânticas, oferecendo, assim, a possibilidade de estratégias para o gerenciamento da aprendizagem, tais como: verificar erros conceituais, observar qual o conhecimento a priori necessário para a compreensão da nova informação e navegação conceitual [Novak; Gowin 1984].

- O sistema é composto de documentos hipertextos, que, geralmente, são engendrados usando a "Hypertext Markup Language'' (HTML). O mundo virtual é construído com as linguagens VRML (Virtual Reality Modeling Language). O acesso a Web é obtido por meio de um programa navegador na Internet ("web browser''). A visualização dos mundos em Realidade Virtual é realizada por um plug-in Cosmo Player [Silicon Graphics 2004], que é executado sob supervisão do navegador da Internet.

Em um ambiente virtual, o usuário encontrará uma série de dispositivos que possibilitarão a criação de experiências, a visualização dos efeitos e resultados obtidos a partir de suas escolhas. A implementação do sistema em VRML e JavaScript e a modelagem dos objetos em 3D contribuem para a criação de arquivos pequenos, que são compartilhados via Web, resultando num baixo custo de transmissão e armazenamento. A Figura 5 mostra o diagrama básico da arquitetura do sistema. A Interface Gráfica com o usuário (GUI) suportará as tarefas de criação e experimentação de circuitos bem como a visualização dos resultados obtidos. O acesso do usuário a GUI será presencialmente ou à distância, via rede de computadores mundial, Internet. Esse sistema é composto por vários blocos cujas funções serão discutidas a seguir.

Figura 5. Arquitetura do Sistema

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O bloco Gerenciador de Mapas Conceituais é composto de nodos e de relacionamentos. Os nodos contêm os temas principais, os quais possuem links que conduzem o usuário a conteúdos explicativos e exemplos, possibilitando, assim, um maior entendimento do tópico em análise.

O bloco Ambiente Virtual é composto pelos blocos Objetos Virtuais e Painel de Controle. Os objetos virtuais e o painel de controle foram criados usando a linguagem VRML, ambos possuindo sensores que captam o toque do usuário por meio do mouse. Os Objetos Virtuais são: a placa (onde o usuário poderá criar o circuito), o circuito montado e o multímetro. No Painel de Controle, estão os dispositivos elétricos que o usuário poderá usar para criar o circuito, dois botões de ajuda e um botão utilizado para reiniciar a simulação, proporcionando novas experiências. O primeiro botão é um link que conduzirá o aluno a uma página Web, com definições e exemplos, ajudando-o a determinar qual é o valor de uma resistência utilizando o código de cores. O segundo é exploratório, muito importante na preparação de ambientes de aprendizagem. Ele prevê as dificuldades ou dúvidas que os estudantes possam ter ao testar seus conhecimentos ou habilidades. Caso o usuário queira acessar a ajuda basta posicionar o cursor do mouse sobre o botão '?'. Uma caixa de texto será apresentada com algumas dicas sobre a situação atual do circuito. A Figura 6 mostra a página inicial do ambiente tutorial.

Figura 6. PÆgina inicial do ambiente tutorial.

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No bloco Gerenciador do Circuito, estão as funções implementadas em JavaScript, que permitem a interação do usuário com o mundo. Essa interação viabiliza as entradas de dados pelo usuário, que, por meio do mouse, seleciona os dois pontos na placa onde se deseja colocar o dispositivo e, em seguida, no painel de controle, também com o mouse, seleciona-se o resistor desejado. Este procedimento se repetirá até a montagem completa do circuito sobre a placa. Finalizada a montagem do circuito, o usuário poderá utilizar o multímetro para realizar medições de parâmetros e variáveis do circuito, tais como: a resistência, a corrente ou a diferença de potencial (voltagem) entre dois pontos quaisquer do circuito. O procedimento para inserir o multímetro no circuito é similar à montagem do circuito, ou melhor, com o mouse, selecionam-se dois pontos na placa e, a seguir, seleciona-se a função desejada para o multímetro: ' A ' para medição de corrente, 'V' para medição da diferença de potencial e ' Ω ' para medição de resistência.

Ao analisar o circuito, alguns detalhes importantes devem ser observados, como, por exemplo: se a chave da placa está aberta ou fechada; se os pontos estão selecionados no multímetro; se o que se deseja calcular (corrente, diferença de potencial ou resistência) está selecionado; e, também, o valor da fonte de tensão DC (bateria ou pilha). O valor default da fonte de tensão é 12 V, mas ele poderá ser modificado na caixa de Tensão, que aparecerá ao clicar-se na pilha. A Figura 8 mostra um suposto circuito montado e o valor medido para a tensão entre os pontos C e D.

Figura 8. Circuito Montado e Medição da Tensão CD

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## 6. Conclusões

Este artigo apresentou o protótipo de um laboratório virtual de física que explora o uso de técnicas de RV e processos pedagógicos no Ensino Médio. Este sistema, resultado de um projeto multidisciplinar, apresentou uma simulação de um laboratório de Física real, devido à modelagem suportada pelas técnicas de RV exploradas. O uso de tecnologias tais como a integração de VRML e Javascript, mostrou a capacidade do sistema de simular fielmente a criação e análise de circuitos elétricos. A adoção do paradigma de Mapas Conceituais habilitou o sistema a permitir o seu usuário à construção de seu conhecimento de forma mais intuitiva que outros tutoriais encontrados na literatura e Internet. Além disso, ao explorar tais técnicas, garante-se que o laboratório desenvolvido poderá ser acessado via Internet, sem custo de aquisição de softwares e hardwares adicionais. Por esta razão, pode se tornar uma ferramenta de apoio para as escolas e alunos que não tem acesso a laboratórios de Física instalados.

## Referências Bibliográficas

Andrade, F. A.; Wazlawick, S. R.; Cruz, D. M. Realidade Virtual na Escola : Um Panorama. In: XVIII CONGRESSO NACIONAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE COMPUTAÇÃO SBC, 18., 1998, Belo Horizonte, MG. Anais ... 1998. p. 604-613.

Ellis, R. S . What are Virtual Environments. In: IEEE Computer Graphics and Applications , p. 17-22, Jan. 1994.

Hamit, F. Realidade Virtual e a Exploração do Espaço Cibernético . Berkeley, 1993.

Kirner, C. Sistemas de Realidade Virtual . INTERNET: São Carlos, UFSCar, Grupo de Pesquisa em Realidade Virtual, Projeto AVVIC, 1996. Disponível em: &lt;http://www.dc.ufscar.br/~grv&gt;. Acesso em: 10 jun. 2004. 40 p. Apostila.

Novak, J. D.; Gowin, D. B. Learning How to Learn . Cambridge: Cambridge University Press, 1984.

Pelizzari, A.; Kriegl, M.; Baron, M. Teoria da Aprendizagem Significativa Segundo AUSEBEL . PUC / PR, jul. 2002.

Pinho, M. S. Realidade Virtual como ferramenta de Informática na Educação . Porto Alegre: PUCRS, Maio 1998.

Silicon Graphics. Plug-in Cosmo Player . INTERNET: Silicon Graphics inc, 2004. Disponível em: &lt;http://www.sgi.com/software/cosmo/&gt;. Acesso em: 10 jun. 2004.