DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTES VIRTUAIS PARA O ENSINO DA FÍSICA
TRINDADE, Jorge Fonseca
Escola Superior de Tecnologia e Gestão
Instituto Politécnico da Guarda
Guarda, Portugal
FIOLHAIS, Carlos
Departamento de Física da Universidade de Coimbra
Coimbra, Portugal
Resumo
É crescente a preocupação dos docentes pelo insucesso dos alunos na aprendizagem da
Física. O recurso às novas tecnologias, nomeadamente à utilização do computador no contexto da
sala de aula, tem sido uma das várias possibilidades no sentido de enfrentar o problema. Com a
evolução das capacidades gráficas do computador abrem-se novas perspectivas de utilização
pedagógica.
A realidade virtual acrescenta uma nova dimensão à forma como habitualmente se faz a
visualização gráfica. As características desta nova tecnologia possibilitam uma maior
interactividade por parte do utilizador incluindo a manipulação de objectos num ambiente imersivo.
Com o objectivo de avaliar as potencialidades desta tecnologia no ensino e aprendizagem da
Física estão a ser desenvolvidos, no Departamento de Física da Universidade de Coimbra,
ambientes virtuais, tendo por alvo os alunos dos anos terminais do ensino secundário e do 1º ano do
ensino superior. Esta comunicação pretende dar a conhecer os desenvolvimentos nos projectos
Água Virtual e Física Virtual, conteúdos de realidade virtual para o ensino da Química e da Física,
respectivamente.
O primeiro trabalho tem como público destinatário os alunos do ensino secundário. O
assunto central é a água e o trabalho envolve assuntos como orbitais atómicas e moleculares,
densidades electrónicas, dinâmica molecular, etc. O estudo deste tema tem motivado bastantes
investigadores devido à importância que simulações realistas da água desempenham em Física,
Química e Biologia mas menos atenção tem sido prestada à sua exploração pedagógica com novas
metodologias computacionais.
Por outro lado, o projecto Física Virtual é um ambiente vocacionado para a exploração de
conceitos no domínio da Mecânica Clássica e que tem como público destinatário estudantes do
primeiro ano universitário (cadeira de Física Geral).
1. Introdução
O recurso aos gráficos, em particular os tridimensionais, para a visualização e interpretação
de informação numérica tem vindo a aumentar substancialmente tanto na investigação como no
ensino das ciências. Em particular, esse recurso é maior em domínios onde a interactividade é
fundamental e a interpretação de informação complexa é mais exigente. As razões para tal interesse
são claras: no domínio da investigação científica é mais fácil tirar ilações de um modelo
tridimensional do que da simples leitura de números ou interpretação de fórmulas; no domínio da
aprendizagem está provada a utilidade de métodos gráficos, em particular os imersivos, na
formação de modelos conceptuais correctos [1].
A realidade virtual baseia-se na construção computacional de ambientes gráficos
tridimensionais. Por meio de hardware específico (luva, capacete, etc.), consegue-se, em tempo real,
a interacção e manipulação com elementos desses cenários, numa completa sensação de imersão
num mundo "alternativo". Interactividade (navegação, escolha do referencial, etc.), manipulação
(realização de acções de forma idêntica à do mundo real, como por exemplo o lançamento de uma
bola) e imersão (a maioria das acções provêm do ambiente virtual) são os três pilares que
distinguem estas novas técnicas, que constituem uma extensão das simulações convencionais num
ecrã de computador.
No campo educativo, o uso da realidade virtual encontra-se devidamente justificado [2,3].
Expõem-se, em síntese, alguns pontos que parecem ter reunido o consenso de vários especialistas
em educação:
• Os processos psicológicos num ambiente virtual são muito semelhantes aos
correspondentes num ambiente educativo real.
• Na área educativa, as sensações tácteis são frequentemente neglicenciadas. Em
consequência, é frequente criar imagens incorrectas pela ausência e impossibilidade de
sentir os objectos reais.
• Na experimentação científica, a manipulação de objectos é fundamental. Sem ela, os
alunos dificilmente compreendem o conteúdo, significado e alcance de uma experiência
ou mesmo os conceitos que lhe estão subjacentes.
Com o objectivo de avaliar as potencialidades da realidade virtual no ensino e aprendizagem
da Física e da Química, estão a ser desenvolvidos, no Departamento de Física da Universidade de
Coimbra, em colaboração com o Departamento de Química e do Centro de Computação Gráfica da
mesma universidade, ambientes virtuais, tendo por alvos os alunos dos anos terminais do ensino
secundário e do primeiro ano do ensino superior. Os trabalhos que estão a ser desenvolvidos
envolvem conceitos muito distintos: no projecto Água Virtual, vocacionado para alunos do ensino
secundário, devido à importância, a este nível, da utilização de modelos conceptuais correctos, são
explorados assuntos como orbitais atómicas e moleculares, densidades electrónicas, dinâmica
molecular, etc. No projecto Física Virtual o assunto que está a ser explorado é no domínio da
Mecânica Clássica e a preocupação fundamental é a de criar condições experimentais que
possibilitem aos alunos a realização de actividades que de outra forma fossem difíceis ou
impossíveis de realizar.
2. O Projecto Água Virtual
Neste trabalho pretende-se conceber um ambiente lúdico-educacional, aliando a modelação
molecular com a representação gráfica tridimensional imersiva. A escolha da água justifica-se pelo
facto de se tratar de uma substância comum e relativamente simples. Apesar do seu estudo
interessar bastantes investigadores [4,5] pouca atenção tem sido dada à exploração pedagógica
desse tipo de simulação.
Os assuntos abordados no projecto vão desde o estudo da geometria da molécula até à
estrutura das fases sólida, líquida e gasosa, passando pelo estudo da densidade electrónica e das
ligações por pontes de hidrogénio. Para os estudantes uma compreensão da água começa com as
orbitais atómicas, em particular, com as s, p e d do hidrogénio, razão pela qual este assunto também
está incluído no projecto.
A exploração dos conteúdos é feita segundo duas vertentes (Figura 1):
a) Macro
Micro - da exploração das fases da água à exploração do átomo (linha contínua na
figura).
b) Micro
Macro - do estudo das orbitais atómicas às diversas fases da água (linha tracejado).
Em qualquer dos casos a exploração dos cenários é precedida pela navegação num ambiente
de treino. O objectivo é ajudar o utilizador a conseguir um equilíbrio fisiológico nos diversos
cenários virtuais e a garantir uma boa adaptação aos interfaces (luva e capacete), à navegação,
imersão e interacção em ambientes virtuais.
O projecto Água Virtual é um trabalho constituído essencialmente por dois momentos: numa
primeira fase (a que está a decorrer) pretende-se a visualização da geometria da molécula de água
(C2), das ligações por pontes de hidrogénio (C5), das diversas fases da água (C1) e ainda o cálculo
e representação da densidade electrónica da água (C4) e funções de onda do hidrogénio (C3). Numa
segunda fase, pretende-se acrescentar outros aspectos que possibilitem nomeadamente o estudo de
transições de fase.
Ambiente de
Treino
b)
a)
Cenário
Natural
C1
Fases:
Sólida, Líquida, Gasosa
C2
Molécula
de Água
Hidrogénio
(Funções de Onda)
Densidade
Electrónica
C3
C4
Ligações
C5
Figura 1 - Estrutura geral do ambiente virtual. A linha a tracejado indica a
exploração dos conteúdos na vertente microscópica enquanto a linha
contínua permite uma exploração das fases da água até ao átomo.
O projecto consiste essencialmente em dois momentos: numa primeira fase (a que está a
decorrer) pretende-se a visualização da geometria da molécula de água (C2), das ligações por
pontes de hidrogénio (C5), das diversas fases da água (C1) e ainda o cálculo e representação da
densidade electrónica da água (C4) e funções de onda do hidrogénio (C3). Numa segunda fase,
pretende-se acrescentar outros aspectos que possibilitem nomeadamente o estudo de transições de
fase.
Para a implementação do ambiente virtual são utilizados dois pacotes de software a correr
em paralelo em dois PCs. Um dos pacotes, WorldToolkit, é destinado à definição e criação dos
cenários virtuais e o outro, Gaussian 94, é destinado a efectuar cálculos relacionados com a
molécula de água nomeadamente, a optimização da geometria (C2) e obtenção da densidade
electrónica (C4).
3. O Projecto Física Virtual
Encontra-se ainda numa fase inicial de designe e concepção e por isso sujeito a alterações. A
escolha da Mecânica Clássica como objecto de tratamento deve-se ao facto de a matéria leccionada
na disciplina de Física, nos anos terminais e iniciais dos ensinos secundário e superior,
respectivamente, ser predominantemente no âmbito da Física Clássica. Por outro lado é sabido que
o estudo da Física se faz, na maioria dos casos, com base em suposições difíceis de verificar em
situações reais, como por exemplo: desprezar o atrito ou a resistência do ar, considerar o corpo
reduzido a um ponto material desprezando a sua forma e dimensão, considerar um sistema isolado,
etc. Os alunos não têm, normalmente, qualquer experiência decorrente deste tipo de situações,
criando-se assim a possibilidade de conflito entre os seus modelos conceptuais e os conteúdos
transmitidos.
Como tal, a exploração dos conceitos neste ambiente virtual está projectada segundo três
vertentes: ponto material, sistemas de partículas e corpo rígido. Manipulando variáveis, como por
exemplo coeficientes de atrito e de restituição, aceleração gravítica, etc. será possível criar
condições que permitem a exploração de conceitos como: rotação do corpo rígido, atrito, colisões,
etc.
Em qualquer um dos projectos pretende-se que o produto final seja disponibilizado à
população escolar através do centro de competência Nónio-"Softciências".
Para a realização dos trabalhos são utilizados dois Pentium Pro a 233 Mhz, com 64 Mb de
RAM, em rede, com uma placa gráfica aceleradora Matrox Millenium II. Para a navegação e
imersão no ambiente virtual é utilizado o capacete V6 da Virtual Research, uma Cyberglove da
Virtual Technologies e um sensor de posição para dois receptores, Isotrak II, da Polhemus.
4. Conclusão
A utilização de gráficos é, de facto, uma ferramenta poderosa na visualização de informação
complexa e/ou abstracta. A capacidade de imersão é um novo aspecto a ser explorado e avaliado.
Ambientes virtuais para o ensino da Física e da Química estão a ser desenvolvidos com o objectivo
de testar a aplicabilidade da realidade virtual no ensino e aprendizagem. O trabalho encontra-se
numa fase preliminar de execução, pelo que a sua avaliação não pode ainda ser feita.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Prof. Doutor Victor Gil, do Departamento de Química da
Universidade de Coimbra, pelas suas sugestões e ideias para a concepção do projecto e ao Prof.
Doutor José Carlos Teixeira, do Centro de Computação Gráfica do Departamento de Matemática da
Universidade de Coimbra, pela cedência do equipamento.
Referências
[1] J. Alberto Trindade e C. Fiolhais, Gazeta da Física, Vol. 19, Fasc. 2, Abril/Junho, 1996.
[2] H. Rose, Assessing Learning in VR: Towards Developing a Paradigm Virtual Reality Roving
Vehicles (VRRV) Project, Human Interface Technology Laboratory, Report Nº TR-95-1, February,
1996.
[3] Mark L. Rosenquist and Lillian C. McDermott, Am. J. Phys. 55, 407 (1987).
[4] K. Laasonen, M. Sprik and M. Parrinelo, J. Chem. Phys. 99 (11), Dec. 1993.
[5] M. Sprik, J. Chem. Phys. 95 (9), Nov. 1991.