MEDIÇÕES DE ATRIBUTOS DE ONDAS EM UMA CUBA POR MEIO DE UM SOFTWARE

## MEDIÇÕES DE ATRIBUTOS DE ONDAS EM UMA CUBA POR MEIO DE UM SOFTWARE

## MEASUREMENT OF ATTRIBUTES OF WAVES IN A CUBA THROUGH A SOFTWARE

Maria Inês de Affonseca Jardim1, Ana Fernanda Gomes Ascencio2, Edilene Aparecida Veneruchi de Campos 3 , Jean Clei da Silva 4 , Jonas Barcellos de Moraes 5 , Graziela Santos de Araújo 6 , Robson Soares Silva 7 , Alfredo Vinicius Soares da Silva 8 , Vinícius Fernandes Castro 9 , Rafael César Marcolino 10

1 Profa. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , inesaffonseca@gmail.com

2 Profa. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , anaferms@terra.com.br

3 Profa. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , eavcampos@terra.com.br

4 Prof. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , jeanclei@gmail.com

5 Prof. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , jbarcellosm@gmail.com

6 Profa. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , grrazi.araujo@gmail.com

7 Prof. da Anhanguera-Uniderp/ Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação , robsonsoares.silva@gmail.com

## Resumo

Este artigo descreve um software desenvolvido na linguagem Java que agrupa recursos para fazer a medição de atributos relacionados a ondas em uma cuba de ondas. O software é uma ferramenta que acoplada a aparatos mecânicos e eletrônicos, também desenvolvidos por este grupo de pesquisa, captura, grava, edita e mede por meio das imagens, as grandezas relacionadas aos fenômenos ondulatórios que são visíveis em ondas de água em uma cuba de ondas. Permite também captura de vídeo de ondas por meio do simples acoplamento de câmara ou de filmadora em uma cuba de ondas convencional ou a medição de imagens já gravadas no computador. A linguagem Java é gratuita, orientada a objetos, multiplataforma, que possui os recursos necessários para que se possa implementar os recursos exigidos para captura e gravação de vídeos permitindo que sejam gravados seus frames. Por ser multiplataforma, o software pode ser executado em qualquer sistema operacional, facilitando a sua usabilidade. Quando acoplado ao aparato completo, que permite o controle da frequência do braço mecânico da cuba e o registro do comprimento de onda por meio do computador, possibilita a comparação dos valores lidos pelos equipamentos com os valores medidos. Com o

uso de software do tipo tutorial e simulação será possível sua utilização em aula de laboratório. A forma como foi desenvolvido permite que o software possa ser complementado para analisar outros fenômenos naturais. Sua usabilidade foi testada no protótipo da cuba com controle computadorizada apresentando resultados adequados. Vale ressaltar que dentre os princípios norteadores dos projetos do grupo está a construção de softwares abertos e extensíveis, que serão disponibilizado à comunidade por meio da licença GPL, podendo assim vir a ser adaptados às necessidades especificas dos usuários.

Palavras-chave: Ensino de Física, Java, software, cuba de ondas.

## Abstract

This article describes a software developed in Java language which brings together resources to make the measurement of attributes related to waves in a wave tank. The software is a tool that coupled with mechanical and electronics devices, also developed by this research team, is capable of capturing, recording, editing and measuring through the pictures, the quantities related to wave phenomena that are visible in water waves in a wave tank . It also allows video capture waves through the coupling of simple camera or camcorder in a tub or conventional wave measuring images already recorded on the computer. The Java language is a free language, object-oriented, multi-platform which has the necessary resources in order to deploy the resources required to capture and video recording allowing their frames to be recorded. Being multi-platform, the software can run on any operating system, facilitating its usability. When paired with the whole apparatus, which allows frequency control of the mechanical arm in the cuba and the recording of the wavelength through the computer, it enables the comparison of values read by the equipment with the measured values. Through the use of software such as tutorial and simulation will be possible to use it in a lab. The way it has been developed allows the software to be supplemented in order r to analyze other natural phenomena. Its usability was tested in the prototype cuba with computerized control showing adequate results. It is noteworthy that among the guiding principles of the projects the group there is the building open and extensible softwares, which will be available to the community through the GPL license, thus being able to be adapted to the specific needs of users.

Keywords: Physical education, Java, software, wave tank.

## 1. Introdução

O ensino de disciplinas ligadas aos conteúdos de Física em semestres iniciais de cursos universitários passa, atualmente, por uma dificuldade ligada à falta de requisitos básicos no domínio das ferramentas matemáticas necessárias para o acompanhamento, com a devida profundidade, do conteúdo a ser estudado (ARNOLD; PELÁ, 2004). Para minimizar os danos dessa lacuna é necessária a utilização, por parte do professor, de novas ferramentas que possam colaborar na resolução dessa limitação. O uso do computador, por meio da modelagem matemática e da simulação computacional, pode ser uma dessas ferramentas (VASCONCELOS et al., 2005).

Segundo Giraffa (1999), um software educativo é um programa de computador que visa a atender r as necessidades dos alunos e professores e possui objetivos pedagógicos. Todo software pode ser considerado educativo, desde que sua utilização esteja inserida em um contexto e em uma situação de ensinoaprendizagem, onde exista uma metodologia que oriente todo o processo. Logo, o desenvolvimento de um software educativo deve contar com profissionais das áreas de educação e informática para que sejam levadas em conta, além dos aspectos técnicos de desenvolvimento do software, as questões relacionadas ao conteúdo específico apresentado e as que se referem aos métodos de ensino.

A utilização de softwares educativos pode auxiliar o desenvolvimento do pensar crítico e do aprender a aprender nos alunos. Entende-se que, independente da modalidade de software desenvolvido e utilizado em um determinado contexto, é a concepção de aprender que o professor tem que direcionar o uso da ferramenta. Desta forma, em uma abordagem construtivista, a utilização de softwares educativos pode contribuir para tratar de propostas intelectuais que dificilmente seriam possíveis de serem criadas nas suas melhores formas sem a utilização do computador (TEIXEIRA, 2003).

Vieira (2006) classifica os softwares s educacionais de acordo com seus objetivos pedagógicos, indicando as seguintes categorias: tutoriais, programação, aplicativos, exercícios e práticas, multimídia e internet, simulação e modelagem e jogos. A classificação simulação e modelagem é a mais interativa, pois possibilita que o aluno realize experiências de física, química e biologia. De uma maneira mais direta pode-se dizer que o software possibilita a visualização virtual de situações reais que sejam difíceis ou até perigosas de serem reproduzidas em aula.

- O desenvolvimento de software educativo, que combine aspectos do tipo tutorial e simulação, é uma alternativa para a pesquisa de novas metodologias para o ensino.
- A utilização do computador no laboratório de Física, hoje, vai desde a coleta, processamento e exibição de dados experimentais até a administração dos laboratórios, digitação e confecção de apostilas, relatórios técnicos e outros.

Por sua vez, pesquisas têm demonstrado que o uso de sistemas computacionais como ferramenta, por r meio da reprodução ou simulação de fenômenos, tem facilitado muito o aprendizado dos alunos e, assim, contribui para o ensino da Física (MEIRA, 2003).

Como simulador de experimento e instrumento de medida e análise de dados, o computador possibilita: foco nos fenômenos reais, com coleta e análise de dados em tempo real; realimentação imediatamente disponível; engajamento dos estudantes; ferramentas poderosas para redução de trabalhos desnecessários (ou inacessíveis) e compreensão dos estudantes de assuntos específicos e familiares antes de passar ao geral e abstrato (ROSA, 1995).

Considerando as dificuldades na aprendizagem de Física nas disciplinas introdutórias dos cursos de graduação e as possibilidades oferecidas pela tecnologia como ferramenta para auxílio na aprendizagem dos alunos, em nossa instituição, criamos um grupo de pesquisa para que questões relacionadas à tecnologia e à educação pudessem ser elaboradas. O grupo conta com a participação de professores da área de informática e física, em um trabalho interdisciplinar, e de alunos dos cursos de Ciência da Computação e Engenharia da Computação.

O objetivo do grupo é desenvolver pesquisas cujas fontes dos programas possam ser disponibilizadas por meio da licença General Public License (GPL), possibilitando a qualquer pessoa ter acesso a esse código-fonte, podendo utilizá-lo e melhorá-lo, de modo que ele possa ser aperfeiçoado por outros pesquisadores sem a necessidade da "eterna" volta ao inicio. Além disso, o grupo tem como preocupação a aplicação dos programas em sala de aula para verificação de sua aplicabilidade e de sua efetiva colaboração no processo de aprendizagem por parte dos alunos.

Considerando que, apesar de estar relacionado com um número significativo de fenômenos naturais, cujo estudo dos fenômenos ondulatórios tem sido feito de forma fragmentada e insipiente nos cursos de ensino médio e introdutórios de física nas graduações, propusemos em 2009 e obtivemos aprovação, pela Pró-Reitoria de Pesquisa de nossa Instituição, da pesquisa "A análise de um estudo de caso sobre o ensino e aprendizagem de ondas utilizando software e hardware desenvolvidos para uso em laboratório de física".

Nessa investigação foram desenvolvidos aparatos mecânicos eletrônicos que possibilitam o controle da frequência de vibração do braço de uma cuba de ondas por meio do computador, o registro dos comprimentos de ondas por sensores fotoelétricos, o registro e a captura das ondas por filmagem e fotografia com a possibilidade de trabalhar com as medidas dos parâmetros envolvidos por meio de software. Em 2010, estamos desenvolvendo pesquisa para implementação de software educacional do tipo tutorial e simulação para a utilização do aparato em sala de aula.

Neste artigo relatamos os resultados encontrados na pesquisa no que se refere à investigação para a elaboração do software de medidas.

## 2. O software de captura e medida

Com o intuito de apoiar o ensino de Física, em especial na parte de ondas, o software proposto oferece suporte a um conjunto de funcionalidades que permitem a realização e análise de experimentos em uma cuba de ondas, possibilitando aos usuários do software, além da realização e simulação dos experimentos, condições de analisar e explorar os resultados coletados, por meio da gravação de vídeos e imagens a partir do experimento realizado.

Para tanto, o software desenvolvido possui vários módulos, entre eles módulos para acesso a webcam do usuário e posterior gravação do vídeo adquirido, acesso a arquivos de vídeo e sua execução, captura de frames, abertura de imagens (frames) para a realização de medições, ferramentas de medidas e comparações com resultados obtidos na leitura dos instrumentos da cuba via software. A Figura 1 destaca as principais funcionalidades do software desenvolvido.

Figura 1 - Diagrama de casos de uso - software desenvolvido.

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É proposto que o software seja executado em um módulo Desktop. Para seu desenvolvimento optou-se pelo uso da linguagem Java, referência no mercado de desenvolvimento de software e que pode ser caracterizada como uma linguagem de programação orientada a objetos de alto nível. Dentre suas principais características destacam-se a portabilidade, os recursos oferecidos, a segurança, dentre outras.

Visando ao melhor conforto do usuário e contribuir para uma melhor acessibilidade, o software é executado em ambiente gráfico, por onde o usuário interage por meio de menus para acessar as funcionalidades do sistema, conforme mostra a Figura 1.

Quando o software é executado, carrega-se uma janela com o Menu de Opções, que permite acessar as funcionalidades do sistema. A Figura 2 mostra essa janela.

Figura 2 - Janela principal do software .

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Como primeira atividade, o usuário pode efetuar a captura de novo vídeo por meio da realização de novo procedimento experimental ou escolher trabalhar em um vídeo já gravado. Para acessar esses comandos do software, deve-se selecionar a opção de Menu Opções Æ Captura de Vídeo ou Ver Vídeo Capturado, conforme a Figura 3.

Figura 3 - Opção do menu Opções Æ Captura de Vídeo.

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A Figura 4 mostra a janela que identifica o dispositivo de vídeo e seu formato.

Figura 4 - Identificação do dispositivo de vídeo e o formato.

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Após a janela de Captura de Vídeo ser carregada, por meio da opção gravar, o usuário pode determinar o momento e o tempo de gravação que deseja efetuar. Essa disponibilidade permite ao usuário adequar o registro de seus dados com a capacidade de memória de sua máquina. A Figura 5 mostra a janela de captura de Vídeo.

Figura 5 - Menu principal do software .

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Para a abertura de arquivos de vídeo, foi utilizado o Java Media Framework, que é capaz de manusear mais facilmente arquivos de vídeo e música. A captura de frames foi implementada a partir de uma classe de controle de frames, classes de

buffer r e gráfica, já que o processo divide-se resumidamente em três etapas: captura para o buffer r do frame desejado, abertura do buffer r pela classe responsável por salvar a imagem e a criação do arquivo de imagem a partir do buffer .

Após a gravação das imagens, o usuário pode escolher o "momento" (melhor imagem gerada na cuba) que quer utilizar para as medições, recortando esse "momento". O software permite que esse novo arquivo seja gravado como novo vídeo, ficando a critério do operador descartar o antigo vídeo ou não, segundo suas necessidades e possibilidades de memória.

A Listagem 1 descreve as linhas de código necessárias para utilizar os recursos de multimídia da linguagem Java para a gravação do vídeo. Nessa parte do código são usadas as classes DataSource, para definir o objeto que define a saída do processamento, a classe MediaLocator, que define o arquivo de saída, DataSink, utilizada para criar um coletor de dados e a classe MyDataSinkListener, que escuta o evento do coletor de dados.

```
// get the output of the processor DataSource source = processor.getDataOutput(); // create a File protocol MediaLocator with the location // of the file to which bits are to be written MediaLocator dest = new MediaLocator("file:gravacao.avi"); // create a datasink to do the file DataSink dataSink = null; MyDataSinkListener dataSinkListener = null; try { dataSink = Manager.createDataSink(source, dest); dataSinkListener = new MyDataSinkListener(); dataSink.addDataSinkListener(dataSinkListener); dataSink.open(); } catch (IOException e) { Stdout.logAndAbortException(e); } catch (NoDataSinkException e) { Stdout.logAndAbortException(e); } catch (SecurityException e) { Stdout.logAndAbortException(e); } // now start the datasink and processor try { dataSink.start(); processor.start(); System.out.print("Gravando ..."); Thread.currentThread().sleep((t*1000)+2000); System.out.print("... fim da gravação!"); // stop and close the processor when done capturing... // close the datasink when EndOfStream event is received... processor.stop(); processor.close(); dataSinkListener.waitEndOfStream(10); dataSink.close(); JOptionPane.showMessageDialog(this,"Arquivo de vídeo pronto!","Mengagem!", 1); } catch (IOException e) { System.out.print("IO Exception"); } catch (InterruptedException ie) {} capture();
```

Listagem 1 - Código em Java p para gravar o vídeo pela webcam .

- O código-fonte, que permite visualizar r o vídeo capturado, utiliza as classes JFileChooser para a escolha do arquivo a ser visualizado, e a classe Player, para visualizar o arquivo capturado. A Listagem 2 mostra essa parte do código.

Listagem 2 - Código em Java para visualizar o vídeo gravado.

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A parte do código para Capturar o Frame é o mostrado na Listagem 3 onde se destaca o uso da classe FrameGrabbingControl, que permite gravar um frame do vídeo que está sendo executado.

```
public void captura() { //Capturando frame FrameGrabbingControl fgc = (FrameGrabbingControl)mediaPlayer.getControl("javax.media.control.FrameGrabbingControl"); if(fgc==null) JOptionPane.showMessageDialog(null,"Erro"); else {
```

```
JOptionPane.showMessageDialog(null,"Frame gravado com sucesso!"); Buffer buf = fgc.grabFrame(); //Converte frame para imagem BufferToImage btoi = new BufferToImage((VideoFormat)buf.getFormat()); Image img = btoi.createImage(buf); //Salva imagem... salvaJPG(img,"C:\\frame.jpg"); } }
```

Listagem 3 - Captura o f frame do vídeo que está sendo visualizado.

O método salvaJPG é mostrado na Listagem 4, onde se destaca o uso da classe JPEGImageEncoder, que faz a conversão da imagem para JPG.

Listagem 4 - Método que salva o f frame em formato JPG.

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Caso o usuário queiro trabalhar com um vídeo já gravado, pode abri-lo por meio da outra opção de menu chamada Opções Ver vídeo Capturado, conforme mostra a Figura 6.

Figura 6 - Selecionar o vídeo para ser visualizado.

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Após selecionado pode-se capturar o frame desejado, bastando clicar no botão Capturar Frame, confoforme mostra a Figura 7.

Figura 7 - Capturar o frame .

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Depois que o vídeo foi visualizado e o frame salvo, pode-se selecionar a opção do menu Opções Calcular a Distância, conforme mostrado na Figura 8. Basta clicar o mouse do ponto inicial desejado até o ponto final em que se deseja fazer a medição, e o cálculo da distância será efetuado automaticamente.

Figura 8 - Cálculo da distância entre dois pontos do frame salvo.

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## 1. Conclusões

Existe um grande campo para criação de simuladores de experiências em Física, bem como outros tipos de softwares educacionais que utilizam conceitos de Física, que ainda não foram abordados.

Entre as dificuldades encontradas para a elaboração dessas ferramentas, podemos distinguir a natureza dos artigos encontrados na área, onde raramente são descritas as características funcionais e as ferramentas e tecnológicas utilizadas no desenvolvimento do software, o que dificulta, a princípio, uma comparação mais profunda entre os softwares e até mesmo a escolha de uma linguagem de programação mais adequada na implantação de novas simulações. Além disso, apesar de encontramos excelentes softwares já elaborados, a adaptação e complementação deles para utilização em projetos particulares ficam prejudicadas por falta de disponibilidade dos códigos-fonte.

O software desenvolvido para a realização de simulação e medição de experimento em ondas é a primeira iniciativa do Grupo interdisciplinar de ensino com uso da computação da Universidade Anhanguera-Uniderp e visa a criar um conjunto de softwares aplicativos que possam vir a ser utilizados para apoiar o ensino de física em cursos superiores. Dessa forma, dentre os trabalhos futuros, destaca-se a incorporação de funcionalidades que viabilizem a gravação das medições efetuadas em um sistema de gerenciador de banco de dados - viabilizando a realização de análises futuras, bem como o desenvolvimento de novos módulos de simulação de outros fenômenos físicos.

Ressalta-se que dentre os princípios norteadores do projeto está a construção de um software aberto e extensível, que posteriormente será disponibilizado à comunidade por meio da licença GPL, podendo assim vir a ser adaptado às necessidades do usuário.

Como contribuição deste trabalho destaca-se a disponibilização de um software de apoio ao ensino da Física, que pode ser utilizado por qualquer pessoa que tenha o mínimo conhecimento da manipulação de aplicativos computacionais, já

que o software possui opções que não levam a dificuldades de manuseio. Outra vantagem está relacionada ao fato de poder r ser utilizado em qualquer sistema operacional por ter sido desenvolvido em Java, que é uma multiplataforma.

## REFERÊNCIAS

ARNOLD, F. J.; PELÁ C. A. Simulação computacional de campos ultra-sonicos. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 26, n. 3, p. 223-231, 2004.

DEITEL, H. M.; DEITEL, P. J. Java: como programar. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2001.

FRANCO, S. R. Simulação numérica de ondas aquátiticas não-lineares permanentes. Porto Alegre, RS: UFRGS-PPGMA, 2006.

GIRAFFA, L. M.; VICCARI, R. M. Estratégias de ensino em sistemas tutores inteligentes modelados através da tecnologia de agentes. Revista Brasileira em Informática na Educação, Porto Alegre: SBC, n. 5, 1999.

HORSTMANN, C. S.; CORNELL, G. Core JAVA 2: avançado. São Paulo: Makron Books, 2001.

JAVA. Disponível em: &lt;http://www.java.sun.com&gt;. Acesso em: 20 mar. 2009.

MEIRA, V. S. Sistema programável para aulas práticas de física. Recife, PE: UFPE, 2003.

PROGRAMA Educ@ar. Disponível em:

&lt;http://educar.sc.usp.br/sam/cuba2/kitcuba.html&gt;. Acesso em: 1. maio 2010.

ROSA, P. R.S. O uso de computadores no ensino de física: parte I: potencialidades e uso real. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo: SBF, 1995.

TEIXEIRA, J. de F. Uma discussão sobre a classificação de software educativo . 2003. Disponível em:

&lt;http://www.revista.unicamp.br/infotec/artigos/jacqueline.html&gt;. Acesso em: 1. mar. 2010.

VASCONCELOS, F. H. L. et al. A utilização de software educativo aplicado ao ensino de física com o uso da modelagem. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 16., Rio de Janeiro, 2005.

VIEIRA, F. M.I. S. A Avaliação de software educativo: reflexões para uma análise criteriosa. (s.d.) Disponível em:

&lt;http://www.edutec.net/Textos/Alia/MISC/edmagali2.htm&gt;. Acesso em: 1. maio 2010.