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Sistema Integrado e Visualização de Conteúdos de 5a à 8a
Séries Utilizando X3D
Luis Biondo, André Brandão, Michele Tobaldini1 , Jacques Brancher1
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Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões
Campus de Erechim, Brasil
{lfbiondo,brandaoihc,matobaldini}@gmail.com, [email protected]
Resumo. Este artigo descreve um ambiente virtual para a web que apresenta
conteúdos de 5a a 8a séries do Sistema Brasileiro de Ensino Fundamental. O
software oferece aos usuários uma maneira para explorar conteúdos didáticos
das disciplinas de Ciências Naturais, Geografia, História, Lı́ngua Portuguesa e
Matemática, disponibilizados em módulos no ambiente virtual, de acordo com
sua complexidade. Para o desenvolvimento deste ambiente, foi utilizada a tecnologia X3D. Por fim, o sistema oferece uma alternativa para os usuários localizarem informações de uma maneira diferenciada e gráfica, com a utilização
de interação não-imersiva.
1. Introdução
O ensino fundamental brasileiro possibilita aos estudantes uma aprendizagem em salas
de aula, com contato direto com professores. Ainda que a criatividade de profissionais da
área pedagógica auxilie no processo de aquisição de conhecimento, por vezes estudantes
podem necessitar de um atrativo a mais para buscar conteúdos de uma forma diferenciada.
Com o desenvolvimento da computação e aplicação da mesma na educação, tornou-se
possı́vel simular ambientes tridimensionais (3D) virtuais para a navegação de pessoas em
lugares de difı́cil acesso, dependendo do caso.
A Realidade Virtual surge como opção para que estudantes tenham uma alternativa diferenciada para a aprendizagem. Através da imersão proporcionada pela realidade
virtual, deseja-se que os estudantes adquiram conhecimento pois a interatividade desperta
maior interesse na aprendizagem [Pinho 1996]. Alguns aspectos colaboram para a realidade virtual ser utilizada na educação entre eles pode-se destacar: maior motivação dos
usuários, o poder de ilustração da Realidade Virtual para alguns processos e objetos é
muito maior do que outras mı́dias, permite que o aprendiz desenvolva o trabalho no seu
próprio ritmo, não restringe o prosseguimento de experiências ao perı́odo da aula regular, permite que haja interação, e desta forma estimula a participação ativa do estudante
[Pantelidis 1995].
Partindo-se desta premissa, a proposta do presente trabalho é apresentar um ambiente 3D, construı́do em X3D [Resources b] para visualização de conteúdos de 5a a 8a
séries do Ensino Fundamental. Inicialmente, acadêmicos das áreas especı́ficas, com experiência pedagógica, selecionaram os conteúdos didáticos das áreas de Ciências Naturais
(Biologia, Fı́sica e Quı́mica), Geografia, História, Lı́ngua Portuguesa e Matemática, vistos
neste perı́odo do aprendizado estudantil. A seguir, identificaram os assuntos abordados,
organizando-os desde os mais fáceis até os mais difı́ceis, considerando o grau de complexidade desses. É importante ressaltar que, devido à grande quantidade de conteúdos
Grahl, E. A; Hübner, J. F. (Eds.). Anais do XV Seminário de
Computação, Blumenau, 20-22 de Novembro, 2006. p 97-107.
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didáticos, apenas alguns de cada disciplina foram escolhidos, tendo em vista os mais
essenciais para os alunos das séries abordadas.
Assim, este artigo apresenta um ambiente de visualização de conteúdos de 5a a
8a séries, dividido em módulos. Para este fim, o texto está dividido da seguinte forma:
No item 2, é feita uma breve revisão bibliográfica, na seqüência são apresentados alguns
trabalhos relacionados. Na seção 4, é apresentado o sistema de organização da estrutura
dos conteúdos didáticos. A seguir, é abordada a implementação, bem como as telas de
visualização de conteúdos do sistema. Por fim, as conclusões e trabalhos futuros serão
apresentados.
2. Realidade Virtual e Educação
A aplicação de técnicas de RV na educação possibilita a produção de ambientes que podem facilitar a aprendizagem de alunos, oferecendo uma alternativa complementar para
adquirir o conhecimento oferecido em sala de aula [Nakamoto et al. 2004]. Também
deve-se destacar que o uso de RV possibilita que Ambientes Virtuais proporcionem aos
usuários uma sensação de imersão pois os mesmos podem navegar e interagir em espaços
tridimensionais gerados por processamento computacional [Zottino et al. 2004] tornando
assim a RV relevante no que diz respeito a aplicação na educação.
Ainda que a aplicação da Realidade Virtual imersiva torne a interação e envolvimento mais real, soluções não-imersivas são satisfatórias mesmo sem o uso de capacetes
ou salas de projeção. Oferecer aos usuários sistemas em que os mesmos possam se movimentar, ver, ouvir e manipular objetos torna a aprendizagem mais interessante do que
aprender somente em sala de aula.
Os alunos têm diferentes maneiras de adquirir conhecimento com maior facilidade, podendo ser por meios visuais, verbais ou auditivos [Braga 2001]. A utilização de
ambientes computacionais possibilita que sejam exploradas diferentes modos de aprendizagem, oferecendo aos usuários de diversos perfis a utilização de um mesmo sistema de
auxı́lio ao ensino [Braga 2001].
Oferecer aos estudantes a oportunidade de navegar em um ambiente virtual
fazendo com que os mesmos possam “caminhar” em um sistema possibilita a tarefa de
aprendizagem uma alternativa a mais, deferenciando-se do paradigma de apenas abordar
conteúdos nas escolas com o professor expondo a disciplina, ainda que muitos professores possam utilizar de bons métodos e com resultados interessantes até os dias de hoje.
A RV induz os estudantes a explorar o ambiente modelado de acordo com o contexto
do conteúdo a ser abordado e possibilita que os estudantes possam estar em lugares que
dificilmente poderiam estar na vida real.
Ambientes Virtuais, através da imersão, interação e envolvimento, tornam-se locais ideais para se buscar vivências múltiplas pois, esse mundo virtual nada mais é do que
um trabalho multidisciplinar, desenvolvido por especialistas de diferentes áreas em busca
de um objetivo comum. Esses ambientes multidisciplinares permitem aos usuários uma
aprendizagem mais ampla e integrada exatamente por ser um ambiente rico de possibilidades [Braga 2001].
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3. Trabalhos Relacionados
Diferentes pesquisas sobre este tema são feitos, no entanto, o presente trabalho
destaca dois que tem grande relação com o assunto tratado: o Sistema ConstruiRV [Peruzza and Zuffo 2004] e a aplicação de Humanos Virtuais na Educação
[Ieronutti and Chittaro 2005].
O Sistema ConstruiRV [Peruzza and Zuffo 2004] utiliza o modelo Construtivista
de Educação e foi desenvolvido para a Internet. Trata-se de um ambiente de aprendizagem
multidisciplinar e que está dividido em salas onde diferentes conteúdos são abordados
simultaneamente. O fato de possibilitar a simultaneidade de atividades é graças ao uso
de Java3D e RMI caracterizando um Ambiente Virtual Distribuı́do. Neste sistema, o
estudante acessa as salas virtuais inicialmente através de uma página em que o mesmo
opta por qual ambiente ele deseja explorar. Cada usuário tem sua representação através
de uma forma humana virtual para ele poder interagir tanto com o ambiente como com
outras pessoas, também, representadas com sua devida forma. Trata-se de um sistema
onde a interação é não-imersiva uma vez que não utiliza dispositivos de interação nãoconvencionais, como luvas, capacetes, etc.
O trabalho de aplicação de Humanos Virtuais na Educação
[Ieronutti and Chittaro 2005] apresenta um estudo dos aspectos relevantes na modelagem
de Humanos em Ambientes Virtuais Educacionais (Educational Virtual Environments
- EVE) utilizando X3D. Tal artigo trata de uma proposta de se programar humanos
virtuais 3D que realizem a tarefa de ajuda a estudantes, por razão da inviabilidade do
mundo real de haver um professor para auxiliar cada aluno quando o mesmo explora um
ambiente. Para atingir tal objetivo, foram levadas em conta algumas camadas (aspectos)
básicas de modelagem de humanos propostas por [Funge et al. 1999]: geométrica
(trata da aparência), cinemática (trata das articulações), fı́sica (trata de animações),
comportamental (trata de como que o humano virtual responderá às ações do usuário) e,
finalmente, cognitiva (trata de como que o conhecimento é adquirido).
Foram desenvolvidos três diferentes módulos para o desenvolvimento do sistema
para tratar de cada camada: Módulo Comportamental (Behavioral Engine), Módulo de
Execução (Execution Engine) e Módulo de Apresentação (Presentation module). O
Módulo Comportamental é referente à camada comportamental, o Módulo de Execução
trata das camadas cinemática, fı́sica e geométrica já, o Módulo de Apresentação trata da
apresentação das mensagens textuais apresentadas ao usuário, ou seja, a camada cognitiva.
A relação que os dois trabalhos mencionados tem com o desenvolvido é que
trata-se de um sistema multidisciplinar em que o aluno pode entrar em salas de disciplinas especı́ficas. No entanto, o ConstruiRV adota o modelo Construtivista e no presente caso, é utilizado o modelo Dinâmico. Outro fator diferente é que o sistema de
[Peruzza and Zuffo 2004] utiliza a interação não-imersiva de visão em terceira pessoa, ou
seja, o usuário pode visualizar o seu avatar que o representa ao explorar o ambiente. Em
relação ao sistema desenvolvido, utiliza a interação não-imersiva de visão em primeira
pessoa, o que faz com que os “olhos” do usuário seja a tela.
No que diz respeito ao trabalho de [Ieronutti and Chittaro 2005], ambos os sistemas utilizam X3D nas suas implementações mas, o presente trabalho, por utilizar a
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visão em primeira pessoa, não aborda a questão de humanos virtuais. Outro fator comum
entre os dois trabalhos relacionados e o aqui exposto é que todos são sistemas que podem
ser acessados pela Internet, possibilitando fácil acesso aos estudantes.
4. Organização Estrutural dos Conteúdos Didáticos
Ausubel [Ausubel 1970] considera primordial tornar a educação individualizada, cada
aluno deve ser tratado num nı́vel adequado às suas potencialidades e o processo de ensino
deve ser realizado de modo que o aluno progrida de acordo com as suas possibilidades,
o que pode ser obtido através da variação do tempo, natureza do conteúdo e nı́vel de dificuldade do conteúdo. Vygotsky [Vygotsky et al. 1988] descreve o desenvolvimento do
indivı́duo como resultado de um processo sócio-histórico, dando ênfase ao papel da linguagem e aprendizagem. A questão central é a aquisição de conhecimentos pela interação
do sujeito com o meio.
O aplicativo apresentado, possibilita a interação, que se dá através do usuário
(sujeito) e o computador (meio), permitindo que este, navegue de acordo com suas potencialidades e o ensino ocorra de acordo com o nı́vel do aluno. De acordo com Zuchi
[Zuchi 2000], o uso adequado de computadores pode apresentar uma melhoria e eficiência
no processo de ensino-aprendizagem, tornando a construção do conhecimento mais criativa e prazerosa. O computador pode transformar-se em um recurso facilitador que, associado ao aspecto lúdico do processo ensino-aprendizagem, passa a ser percebido como um
poderoso recurso pedagógico, com o qual cada aluno constrói sua própria aprendizagem.
O sistema de organização da estrutura dos conteúdos didáticos se dá através de
módulos, essa escolha está condicionada por sua capacidade para estimular o aluno e por
sua pertinência para integrar conteúdos. Segundo Sacristán [Sacristán 2000] o módulo
facilita a motivação do aluno, através da coerência entre conteúdos, permite estabelecer
relações entre diversos conteúdos, permite conectar os conteúdos com atividades práticas,
habilidades diversas que não costumam depender de conteúdos especı́ficos, favorece a
ordenação do trabalho em grupos de diferente nı́vel ou ritmo de progresso, marca ciclos
de atividade para conteúdos com uma coerência interna, assegura o significado de certos
objetivos e parcelas curriculares.
A seleção e estruturação dos conteúdos abordados deu-se através de pesquisas
realizadas por acadêmicos de cada área especı́fica, considerando a área cognitivista e
a teoria de Piaget sobre a construção do conhecimento. A área cognitivista aborda
questões sobre a memória de trabalho, atenção, percepção, representação de conhecimento, raciocı́nio, criatividade e resolução de problemas. A teoria construtivista de Piaget, segundo Becker [Becker 1994], define que ocorre a construção do conhecimento
quando acontecem ações fı́sicas ou mentais sobre objetos, provocando o desequilı́brio,
resultam em assimilação (processo cognitivo que consiste na incorporação de elementos
do meio externo a um esquema ou estrutura do sujeito, assim, ampliando seus esquemas)
ou, acomodação (modificação de um esquema ou estrutura em função das particularidades do objeto a ser assimilado) e assimilação dessas ações e, assim, em construção de
esquemas ou conhecimento.
Como fontes para a seleção e estruturação dos conteúdos didáticos de 5a a 8a
séries do Ensino Fundamental, utilizou-se os PCNs, Parâmetros Curriculares Nacionais
- Terceiro e Quarto Ciclos e livros didáticos conceituados das disciplinas de Ciências
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Naturais, Geografia, História, Lı́ngua Portuguesa e Matemática. Os PCNs constituem
uma base nacional comum nos currı́culos e servem de eixo norteador na revisão e/ou
elaboração da proposta curricular das escolas [de Educação Básica ].
5. Implementação
A implementação do ambiente, está dividida em basicamente dois módulos: o principal
que agrupa todas as disciplinas em forma de stands, como se fosse uma feira, deixando
todas as disciplinas em um mesmo nı́vel e proporcionando uma visão geral das mesmas.
O outro módulo é formado pelas estruturas particulares de cada disciplina, em forma de
plataforma, onde os usuários navegam e visualizam os conteúdos de forma resumida, utilizando um mini-navegador aberto dentro do ambiente 3D. Para a modelagem do ambiente
foram utilizados dois editores: o Vizx3D e o VrmlPad.
O editor Vizx3d, da empresa Virtock Technologies [in X3D ], foi utilizado principalmente para a inserção das propriedades essenciais do padrão X3D e VRML. Dentre
as propriedades pode-se destacar a iluminação, a texturização, os aspectos de navegação
(altura e velocidade de locomoção pelo ambiente), a detecção de colisão, os pontos de
visualização no ambiente e a inserção de alguns nós especı́ficos dos padrões X3D e
VRML. Um exemplo de nó dos padrões mencionados é o nó FOG, responsável pelo
efeito de neblina nas estruturas. Esse, foi utilizado também para inserção de sensores no
ambiente e principalmente para modelagem das animações do mesmo.
O editor VrmlPad, da empresa Parallel Graphics [(a 3D VRML company) ], foi
utilizado para a inserção e configuração do protótipo, ou seja, um nó do tipo PROTO
responsável por abrir o navegador dentro do ambiente, disponı́vel em [v.2 ].
A utilização de editores visuais (gráficos) é relevante devido ao fato de proporcionar uma maior agilidade na modelagem dos ambientes. O processo de modelagem
visual, se comparado a uma modelagem com um editor texto, é muito mais intuitivo e
dinâmico, dispensando um grande número de testes (“compilações”), a fim de verificar
a posição correta dos objetos no espaço tridimensional. Isso comprova uma tendência
que a própria WEB 3D indica que, praticamente todas as modelagens 3D serão, em um
futuro bem próximo, feitas através de editores visuais, deixando a parte de codificação
da linguagem a cargo desses softwares, permitindo aos modeladores mais liberdade para
exercitar a criatividade [Resources b].
A seguir será mostrada uma descrição mais detalhada de cada um dos módulos.
5.1. Módulo Principal
As disciplinas foram agrupadas em stands, citado na seção anterior. Cada stand possui um micro-ambiente respectivo para cada disciplina, Matemática, Fı́sica, Português,
Geografia, História, Biologia e Quı́mica, como mostra a Figura 1. Cada um dos microambientes foi modelado tentando representar alguma cena ou objetos que identifiquem
cada uma das disciplinas por suas particularidades, ou seja, o stand de Biologia, com
animais e plantas, Matemática com figuras geométricas, Fı́sica com engrenagens, naves
espaciais, e assim por diante, como mostra a Figura 2.
Os objetos utilizados em cada stand foram, em sua maioria, coletados em vários
sites especializados em modelos 3D e Computação Gráfica, como o site [Rocky3d ]. Os
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Figura 1. Ambiente principal - agrupamento das disciplinas em stands
Figura 2. Particularidades das disciplinas
modelos e a estrutura principal (paredes) em X3D, foram desenvolvidos utilizando o editor Vizx3D, que também é responsável pela conversão dos mais complexos formatos 3DS
para o VRML.
Como mencionado anteriormente, a estrutura principal foi modelada no formato
X3D e os micro-ambientes em VRML compactado. Esses foram modelados utilizando
um nó de agrupamento chamado anchor que serve para agrupar objetos e fornecer a
propriedade de hiperlink para os mesmos. Assim, em qualquer lugar dentro do ambiente que o usuário clicar, abrirá o ambiente em forma de plataforma de cada disciplina
[Mes et al. 1997]. Foi utilizado esse formato por dois motivos: (i) por que modelos em
VRML não precisam de validação para estar em conformidade com o padrão, como o
X3D, o que torna a abertura dos arquivos mais rápida, principalmente por serem vários
objetos dentro de cada ambiente, e (ii) com o formato compactado, os arquivos ficam
menores, em torno de 10%.
Dentro de cada stand foi colocado um nó Inline, “chamando” os micro-ambientes
de cada disciplina, esse nó serve para referenciar outros ambientes ou objetos para dentro
do ambiente principal. Isso deixa o arquivo mais leve e enxuto, pois permite que objetos
sejam modelados separadamente, evitando grande aglomeração de código em um único
arquivo [Resources a].
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5.2. Módulo Secundário
A modelagem das estruturas dos conteúdos de cada disciplina foi feita em forma de
plataformas no formato X3D, seguindo a lógica da classificação dos mesmos, ou seja,
respeitando a hierarquia interna de cada disciplina. Cada conteúdo está representado por
uma plataforma que tem uma estrutura em forma de quadro negro, modelado em VRML,
que contém um nó do tipo sensor, responsável pela chamada do protótipo (PROTO). A
Figura 3 mostra um exemplo de quadro negro com um dos conteúdos da disciplina de
matemática. Esse protótipo, por sua vez, tem a capacidade de abrir uma extensão do IE
dentro do ambiente 3D permitindo a visualização dos conteúdos no mesmo. Dentro do
ambiente apenas é configurado a chamada externa a esse protótipo e suas propriedades
básicas, como URL, dimensão e posição do navegador na cena.
Figura 3. Exemplo de quadro negro com explicação de um dos conteúdos de
matemática
A escolha por se usar o VRML em conjunto com o X3D se deu pelas seguintes
razões: (i) o protótipo usado para abrir o navegador no ambiente é projetado para o formato VRML, ou seja, não é preciso reescrever o código para adaptar ao novo padrão e
(ii) para evitar o excesso de conteúdo para a validação do padrão X3D, agilizando a abertura do ambiente. Outra razão, (iii) para mostrar que os dois padrões são compatı́veis,
comprovando uma das caracterı́sticas do X3D, que tudo que existe em VRML pode ser
reaproveitado.
No ambiente de cada disciplina, foram implementadas algumas funções para facilitar a navegação do usuário. Entre as funções, pode-se destacar o mapa de localização
para cada disciplina que, em diversos pontos do ambiente, em forma de painéis, auxiliam
o usuário a localizar-se no ambiente. A Figura 4 ilustra o mapa de localização, no caso,
da disciplina de Fı́sica.
Entre os objetos modelados, pode-se destacar dois botões, um para o usuário poder
voltar ao módulo principal, possibilitando a escolha de uma outra disciplina e, um segundo botão com função de fechar o navegador interno do ambiente. Programou-se esse
último botão porque cada quadro negro ativa um novo navegador e, consequentemente,
cada navegador aberto precisa de um dispositivo que o feche. Sem isso, o usuário deveria memorizar onde ele abriu cada navegador para poder fechar e também acarretaria em
mais linhas de código para modelar a estrutura necessária para essa função. A Figura 4
também expõe tais funcionalidades.
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Figura 4. Mapa de localização em forma de painel da disciplina de Fı́sica e Funcionalidades, mapa de localização e botões de navegação
Uma vez que os usuários tem a possibilidade de navegar entre micro-ambientes
para explorar os conteúdos programáticos, foram implementados caminhos que se
assemelham a corredores em 3D. É através desses que os alunos podem ter uma imersão
no sistema e interação pois podem escolher qual dos corredores estes usuários desejam
percorrer. A Figura 5 ilustra os corredores em 3D.
Figura 5. Corredores em 3D
Os conteúdos de cada disciplina, visualizados neste módulo, estão em arquivos no
formato XML, que servem como base de dados para o ambiente. Como esses arquivos
não são legı́veis, ou melhor, estão sem uma formatação que facilite a leitura do mesmo
pelo usuário, optou-se em utilizar uma solução simples, uma folha de estilo XSL para formatar e transformar as informações no padrão HTML [Kay 2002]. Para a transformação
e visualização dos conteúdos através do navegador interno do ambiente, foi utilizado um
script Java que carrega o arquivo XML na memória utilizando o parser XMLDOM. Esse
parser faz a formatação do XML em HTML utilizando a folha de estilo XSL, também
carregada na memória, e depois reescreve para o usuário somente o conteúdo em um site
HTML. Essa conversão do XML para HTML ocorre inteiramente no usuário (cliente)
evitando assim, excessivo tráfego de informações pela internet.
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6. Conclusões e Trabalhos Futuros
Através do desenvolvimento do presente trabalho e estudo de trabalhos relacionados,
verifica-se que a possibilidade de utilização da Realidade Virtual na Educação. Os principais aspectos da RV (imersão, interação e envolvimento) podem ser positivos e expõem
alternativas que fogem do cotidiano escolar, motivando os estudantes a adquirir conhecimento, não só dentro da sala de aula, mas em ambientes virtuais. No presente caso,
devido a forma de interação dar-se em primeira pessoa, buscou-se uma maior sensação de
imersão no ambiente.
A organização estrutural dos conteúdos didáticos em módulos motiva o usuário,
através da coerência entre os assuntos, a estabelecer relações entre diversos conteúdos.
Assim, permitindo que o estudante aborde os conteúdos, do mais simples e, no decorrer
da navegação pelo ambiente virtual, explore assuntos mais complexos.
O ambiente torna-se mais abrangente devido ao desenvolvimento do sistema ser
voltado para a Internet. Assim, possibilitando que alunos de diversas localidades acessem
o ambiente virtual. Evidenciando a importância do desenvolvimento de sistemas utilizando X3D, associado com o VRML.
A continuação do desenvolvimento do presente sistema, promovendo um ambiente multi-usuário, como no trabalho ConstruiRV [Peruzza and Zuffo 2004] é um possı́vel
trabalho futuro. Tornando assim, a interação com o sistema, melhor e mais interessante ao
ponto de vista do estudante, além de possibilitar a idéia do Peer-tutoring. A idéia básica
desse, consiste em fazer com que alunos com conhecimentos mais avançados ensinem
outros com menor domı́nio sobre determinado conteúdo.
Outra alternativa de continuidade, como trabalho futuro, seria utilizar a idéia do
trabalho de [Ieronutti and Chittaro 2005] e desenvolver humanos virtuais, mais precisamente, professores virtuais que poderiam explicar aos alunos o conteúdo que os mesmos
desejam explorar. Ainda no mesmo contexto, poderia-se estudar a possibilidade de inserir
sons no ambiente virtual o que poderia tornar o sistema mais atrativo para os estudantes.
Para a verificação da validade do ambiente, pretende-se aplicá-lo em escolas, objetivando determinar se há necessidade de alterações para melhorias no sistema e confirmálo como uma possibilidade alternativa de auxiliar estudantes a buscar conteúdos didáticos
de uma maneira interativa através do uso do computador.
Finalmente, para validação relativa a utilização do ambiente, é possı́vel a
realização de um estudo comportamental de usuários frente ao sistema, com o objetivo
de verificar se os alunos realmente tiram proveito dos aspectos da RV e se é adequada a
organização estrutural dos conteúdos didáticos.
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