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CIÊNCIA
&
ENSINO
PROPOSTA PARA O USO DIDÁTICO DA
COMPUTAÇÃO GRÁFICA NO ENSINO DE
CONCEITOS DA FÍSICA
_____________________________________
RESUMO
ISSN: 1980-8631
Vol. 4 | Nº. 1 | Ano 2015
Estéfano Vizconde
Veraszto
UFSCar
[email protected]
José Tarcísio Franco de
Camargo
Ensinar física tem sido uma tarefa desafiante e, em algumas
ocasiões, associada a resultados nem sempre satisfatórios. Dessa
forma, é interessante investir em pesquisas que tornem o ensino
desta ciência mais atraente, inicialmente nos espaços educativos
formais e, posteriormente, acessível a um número maior de pessoas
que se encontram além destes espaços. Em particular, a computação
gráfica e as mídias digitais apresentam um grande potencial para
aplicação neste tema. Neste sentido, este artigo traz uma proposta
envolvendo a produção de animações tridimensionais, modelada por
computador, direcionada ao ensino de física com o objetivo de
contribuir para a aprendizagem de determinados conteúdos. Como
exemplo, este texto apresenta uma animação construída pelos
autores, através do uso de softwares gráficos ditos “livres” (freeware),
que demonstrou graficamente o fenômeno do eclipse lunar, por se
tratar de um tema associado à física que permeia a curiosidade e a
imaginação de todas as pessoas.
UNIPINHAL / FMPFM
[email protected]
Júlio Cesar Lopes
FMPFM
[email protected]
Jhonatan da Silva Santos
FMPFM
[email protected]
Eder Pires de Camargo
UNESP
[email protected]
Palavras-chave: Ensino de física. Tecnologia da informação e
comunicação. Computação gráfica.
_____________________________________
ABSTRACT
To teach physics has been a challenging task and, in some instances
associated with results not always satisfactory. Thus, it is interesting to
invest in research that make the teaching of this science more
attractive, initially in the formal educational spaces and, subsequently,
accessible to a larger number of people who are beyond these
spaces. In this way, this paper presents a proposal involving the
production of three-dimensional animations, modeled by computer,
driven to physical education in order to contribute to the learning of
certain content. As an example, this paper presents an animation built
by the authors, by using free graphical software, which graphically
demonstrated the lunar eclipse phenomenon, because it is a theme
associated with physics which permeates the curiosity and
imagination of everyone.
Keywords: Physics teaching. Technology of Information and
Communication. Computer graphics.
p. 42
Proposta para o uso didático da computação Gráfica no Ensino de Conceitos da Física
1 INTRODUÇÃO
Tecendo uma rápida comparação entre a sociedade atual e o ambiente educacional
formal, de um lado encontramos a rápida evolução tecnológica da sociedade, permitindo uma
ampla difusão e construção de conhecimentos. De outro lado, ainda vemos a escola estagnada
no tempo, sendo o professor apresentado aos alunos como o dono da informação e senhor do
conhecimento (HECKLER et al, 2007; MIRANDA et al, 2011).
Embora superada, esta estrutura de ensino fundamentada no antigo modelo tecnicista
ainda encontra suporte dentro dos sistemas de educação formal, inclusive como paradigma
dominante em diversas escolas públicas oficiais, tais como as Faculdades de Tecnologia e as
Escolas Técnicas Estaduais, cujos “Centros” tolhem a autonomia do sujeito através da submissão
de currículos prontos, pré-formatados por “especialistas”, muitas vezes descontextualizados da
realidade de alunos e professores.
Neste cenário de continuísmo, torna-se esvaziado um dos principais objetivos da escola,
que é transformar o aluno em um ser histórico, dinâmico, consciente e crítico da sociedade em
que se encontra.
Assim, o cotidiano do aluno acaba sofrendo uma dicotomia: fora da escola, o mundo é
dinâmico e o conhecimento é atraente; dentro da escola, a vida é monótona e a ciência se limita
ao que é transmitido por via da “educação bancária” (FREIRE, 2004).
Neste sentido, a transformação da sociedade exige inovação também no meio
educacional. Contudo, as dificuldades ainda são enormes. Não por falta de vontade, mas
principalmente por falta de preparo de uma fatia significativa dos professores, que ainda não se
encontra apto para manejar novos artefatos tecnológicos e novas linguagens comunicacionais
(CAMARGO et al, 2008, VERASZTO et al, 2009a, 2012).
Adicionalmente, a rotina intensa e extenuante a que muitas vezes se submete um
professor da educação básica para a percepção de um salário digno, geralmente limita, de forma
considerável, o tempo disponível do docente para a realização de atividades que contribuam para
o seu contínuo aperfeiçoamento profissional.
É no sentido de contribuir para o avanço desta área que o presente trabalho apresenta
uma proposta inicial para um projeto maior, o qual pretende trazer novas ferramentas para o
ensino de física. Através da construção de objetos de aprendizagem gráficos e/ou interativos, o
ensino pode ser diversificado, atendendo a necessidade particular de cada forma de aprender
presente nos alunos.
Para tanto, inicialmente foram desenvolvidas animações tridimensionais voltadas ao
ensino de física. A temática escolhida como ilustração deste trabalho foi o fenômeno natural do
eclipse lunar, como base para aulas de gravitação e óptica geométrica.
Nome da Revista | Vol.4 | Nº. 1 | Ano 2015 | p. 43
Veraszto, E. V.; de Camargo, J. T. F.
O trabalho se justifica, considerando que o computador é um instrumento poderoso.
Seus atributos podem contribuir de forma significativa para o processo de ensino-aprendizagem,
tornando-o um grande parceiro do professor na busca pela construção de conhecimentos.
O que ainda falta são metodologias adequadas para usar esse potencial como uma
ferramenta para auxiliar no desenvolvimento cognitivo dos alunos, proporcionando um ambiente
de trabalho amigável e atrativo, onde professores e alunos estejam aptos a desenvolver
processos colaborativos capazes de proporcionar, ao aprendiz, uma construção da aprendizagem
que respeite suas diferenças, que esteja à altura de suas habilidades e que lhe traga desafios
intelectuais, pertinentes a uma educação voltada para a aplicação de conteúdos na vida cotidiana
(ALONSO & GALLEGO, 2002; BARROS, 2009, 2011; BARROS et al, 2007; MOITA et al, 2011;
VERASZTO et al, 2009b).
2 METODOLOGIA
A partir de dados empíricos obtidos através de entrevistas com professores de física da
rede particular e pública, nasceu a ideia de transformar a disciplina de “Computação Gráfica” do
Curso de Ciência da Computação da Faculdade Municipal “Professor Franco Montoro” (FMPFM),
em um laboratório de desenvolvimento de animações 3D.
O problema inicialmente foi proposto como: de que maneira seria possível utilizar recursos computacionais livres para auxiliar no ensino de física? Como tornar a computação gráfica
acessível a professores e alunos no desenvolvimento de conteúdos didáticos? Com base nestes
questionamentos, os procedimentos adotados para a realização do trabalho investigativo foram
então divididos em duas etapas.
A primeira consistiu em uma pesquisa exploratória, realizada através de entrevistas informais com seis professores do Ensino Médio das redes particular e pública do interior do Estado
de São Paulo. A utilização de uma pesquisa exploratória inicial neste estudo é justificada pelo fato
de que tais pesquisas são frequentemente utilizadas para a caracterização de um estudo preliminar do principal objetivo da pesquisa que será realizada, ou seja, familiarizar-se com o problema
que está sendo estudado, no caso, construir animações que venham a contribuir para a aprendizagem de determinados conteúdos da física, de modo que a pesquisa subsequente possa ser concebida com maior compreensão e precisão.
Especificamente, através desta pesquisa, procurou-se conhecer os problemas cotidianos
no ensino de física. O conceito de pesquisa exploratória, da maneira como é comumente interpretada, é exposto de forma bastante adequada em Gil (1999), e Theodorson e Theodorson (1970).
A segunda etapa consistiu em utilizar os dados obtidos como subsídios para o desenvolvimento de animações tridimensionais voltadas ao ensino de física, através da disciplina de
“Computação Gráfica” mencionada previamente, oferecida no decorrer do 2º. semestre letivo de
Ciência & Ensino| Vol.4 | Nº. 1 | Ano 2015 | p. 44
2011. A intenção foi fazer da disciplina um “laboratório” para a experiência de criação de animações 3D educativas computacionais, desenvolvidas com softwares livres.
Adicionalmente, os alunos desta disciplina foram instigados a tentar desenvolver procedimentos que viessem a facilitar a construção de animações, de forma a aproximar este procedimento da realidade dos docentes do ensino médio.
2.1 Primeira etapa: caracterizando a amostra
Dentre os professores entrevistados temos: dois professores de física para o Ensino Médio do Município de Mogi Guaçu/SP sendo, um da rede particular e, outro, de ambas as redes; um
professor de física da rede pública do Município de Mogi Mirim/SP e; três professores de física do
Ensino Médio da rede particular do Município de Campinas/SP.
Conforme mencionado previamente, os professores foram entrevistados no intuito de levantar problemas cotidianos enfrentados no ensino de física. Os dados obtidos nesta pesquisa
estão resumidos no Quadro 1.
Quadro 1 – Resultados de pesquisa exploratória realizada com professores de física.
Principais problemas encontrados em sala de aula.
Questões
Respostas
Qual o principal problema encontrado atualmente 2 professores apontaram a dificuldade com
no ensino de Física? (aponte apenas uma a operacionalização de fórmulas.
resposta)
1 professor respondeu sobre a falta de
interesse pela ciência.
3 professores citaram a dificuldade de
abstrair o fenômeno, relacionando-o ao
cotidiano.
Como você percebe o interesse do aluno pelas 5 professores disseram que quase todos os
disciplinas científicas?
alunos não têm interesse.
1 professor apontou que possui uma turma
interessada, entre as 5 em que ele leciona.
Você já pensou em alguma solução para 1 professor sugeriu rever o currículo de
diversificar o ensino de Física? Caso a resposta física.
seja positiva, qual sua sugestão?
1 professor sugeriu aumentar o número de
aulas de física nas escolas.
4 professores mencionaram a importância
de tentar diferenciar as aulas utilizando
vídeos, jogos ou outras tecnologias
midiáticas.
Fonte: elaborado pelos autores (2012), a partir dos dados coletados em pesquisa.
Com base nos dados acima, ficou evidente, de forma empírica, aquilo que a teoria rapidamente apontou na introdução deste trabalho: o ensino de física é desestimulado pelo excesso
de formalismo e desconexão com o cotidiano do aluno.
Neste sentido, em sintonia com as respostas dos entrevistados, a geração de novos objetos de aprendizagem que vislumbrem a realidade dos alunos, tais como as animações modeladas por computador, pode contribuir de forma positiva para a solução deste problema. É sobre
essa base que foi desenvolvida a segunda etapa deste trabalho.
2.2 Segunda etapa: criação de animações para o ensino de física
Para a construção das animações, os alunos tiveram, à sua disposição, dois pacotes gráficos: o Blender (BRITO, 2007) e o Pov-Ray (POV-RAY, 2010). Esta era uma das restrições essenciais do projeto: utilizar apenas softwares livres (freeware), sem quaisquer custos para o seu
uso.
Por opção dos próprios alunos, o processo criativo teve como apoio a utilização do PovRay (POV-RAY, 2010) que consiste em um software criado sob licença freeware, direcionado à
síntese de imagens por computador de qualidade foto-realistas. O princípio de funcionamento do
Pov-Ray fundamenta-se em um algoritmo “traçador de raios” (ray tracer), através do qual o trajeto
de cada raio de luz presente em uma imagem é traçado.
Neste ponto, contudo, encontra-se um gargalo de grande complexidade para a aplicação
das novas tecnologias na educação, o qual merece estudos adicionais que vão além da proposta
deste texto. Embora as ferramentas para o desenvolvimento das atividades desejadas estejam ao
alcance de todos, a criação de animações ou simulações modeladas por computador exige, daquele que pretende atuar nesta área, um determinado conjunto de conhecimentos, não se tratando, portanto, de uma atividade trivial.
Assim, como ponto de partida, espera-se que o interessado nesta área venha a adquirir
conhecimentos básicos em computação gráfica, como os apresentados em Foley (1994); Schineider et al (2003); Vince (2006). Este interessado também deverá adquirir conhecimentos na
área de animação, conforme expostos em (PARENT, 2002; KUPERBERG et al, 2002), além de
conhecer as ferramentas que serão utilizadas para o desenvolvimento de seu trabalho (BRITO,
2007; POV-RAY, 2010). Conhecimentos artísticos também são desejáveis (WILLIAMS, 2001).
Dessa forma, percebe-se que o uso das novas tecnologias geralmente exige um estudo
cuidadoso das ferramentas a serem utilizadas. Neste sentido, conciliar a possível rotina extenuante de um professor do ensino médio, com a necessidade de aperfeiçoamento profissional em direção ao uso das novas tecnologias, pode se tornar uma tarefa inviável caso outros profissionais
não sejam inseridos nesse processo.
Especificamente, a participação de engenheiros e profissionais da área de informática na
popularização das tecnologias é fundamental para que esse tipo de iniciativa se concretize de
fato. Há casos concretos em que a simbiose entre docentes, engenheiros e profissionais de tecnologia da informação produziu ferramentas úteis e de aprendizado relativamente simples para
professores e alunos de qualquer nível do ensino. Como exemplo clássico, podemos citar o Modellus (MODELLUS, 2015), que é um software livre, dedicado à construção de simulações interativas em física.
Neste sentido, o envolvimento de alunos de graduação de um Curso de Ciência da Computação traz implícito um objetivo adicional, que consiste na expectativa de construção de uma
sistematização que venha a facilitar o uso da computação gráfica no desenvolvimento de animações físicas.
Assim, partindo das informações apresentadas no item anterior, iniciou-se um trabalho
com um grupo de alunos dedicado ao desenvolvimento de animações didáticas voltadas ao ensino de física. Mesmo tendo o trabalho rendido a inúmeras animações, este artigo foca a análise
dos resultados obtidos por apenas uma dupla de alunos, formada pelos terceiro e quarto autores
deste artigo.
Como ponto de partida, foi definido que a animação teria seu tema livre, tal que os alunos pudessem explorar ao máximo sua criatividade. Apesar da liberdade de expressão quanto ao
tema propriamente, foram estabelecidas regras de formatação para o produto a ser criado. Como
restrições, foi determinado que:
i.
as animações deveriam ter 90 segundos;
ii.
dos 90 segundos de uma animação, 15 seriam dedicados à abertura, 60 à animação propriamente e outros 15 aos créditos finais;
iii.
as animações deveriam ser geradas em formato 4:3 (640x480 pixels), com uma taxa de 30 quadros por segundo;
iv.
é obrigatório a inserção de uma trilha sonora à animação;
v.
os alunos deveriam gerar, além da animação propriamente, seu respectivo roteiro e
um story-board para a mesma;
vi.
os alunos poderiam usar o PoV-Ray ou o Blender para gerar a animação;
vii.
os alunos poderiam usar modelos e/ou objetos já construídos, desde que citassem
as devidas fontes nos créditos finais;
viii.
ix.
o prazo para a realização do trabalho seria de 45 dias;
os alunos deveriam manter um “diário de trabalho”, indicando as dificuldades e o
tempo necessário para a geração do produto final.
3 ANÁLISE PRELIMINAR DE UM RESULTADO OBTIDO
Levando em consideração o trabalho desenvolvido por uma das duplas, este artigo
focaliza a apresentação de um tema associado à física, que não se encontra necessariamente
amarrado a uma determinada série do Ensino Médio, sendo, este, um tema que permeia a
imaginação e a curiosidade de todas as pessoas, independente de sua origem.
Especificamente, a dupla em questão desenvolveu uma animação tridimensional, para
ilustrar o fenômeno do eclipse lunar. Essa equipe sentiu-se motivada a trabalhar com essa
temática, porque o eclipse consiste, segundo eles, em “um fenômeno extraordinário que sempre
fascinou a humanidade ao longo da história”.
A escolha procurou mostrar como ocorre o alinhamento entre o Sol, a Terra e a Lua. As
sombras que são projetadas e o aspecto de brilho avermelhado que é verificado quando ocorre o
eclipse. O roteiro está brevemente descrito no Quadro 2 e ilustrado na Figura 1.
Quadro 2 – Etapas da narrativa.
Etapa da
Duração
narrativa
da etapa
Cena
Abertura
00-15”
FMPFM/Mogi Guaçu – SP – Brasil/Novembro – 2011, apresenta "O Eclipse Lunar"
Cena 1
16-30”(14”)
Um eclipse lunar é um fenômeno celeste visível a olho nu,
que ocorre quando a Lua penetra, totalmente ou parcialmente, o cone de sombra projetado pela Terra, impedindo a iluminação da superfície da lua.
Cena 2
31-40”(9”)
A estes cones damos o nome de Penumbra, que é a sombra
externa e mais difusa, enquanto que, a umbra é a sombra
central e mais escura.
Cena 3
41-50”(9”)
Os eclipses ocorrem na fase da lua cheia, que é quando o
sol, a terra e a lua se encontram próximos ou em perfeito
alinhamento. Porém, nem todas as fases da Lua cheia levam à ocorrência dos eclipses.
Cena 4
51-60”(9”)
A segunda condição vital para ocorrer é a passagem da Lua
pelo plano da órbita da Terra, onde, a este ponto, damos o
nome de nodo orbital.
Cena 5
61-75”(9”)
Existem três tipos de eclipses lunares: i) Penumbral: é
quando atravessa a região da penumbra terrestre; ii) Parcial:
quando uma parte da lua é obscurecida pela umbra; iii) Total: como vemos, a lua ganha um brilho totalmente avermelhado
Créditos
76-90”(14”)
Criação: Julio Cesar Lopes & Jhonatan da Silva Santos
Fonte: elaborado pelos autores (2012), a partir dos dados coletados em pesquisa.
Segundo os estudantes desenvolvedores, a animação consiste no ponto de partida para
a produção de um objeto de aprendizagem mais elaborado, evoluindo, por exemplo, para um
aplicativo interativo. Afirmam ainda que, “qualquer recurso audiovisual é sempre interessante para
complementar uma explicação teórica, pois desperta maior interesse sobre o conteúdo que foi
exposto, suprimindo dúvidas que tenham ficado em explicações prévias”.
Esta animação e as demais produzidas pelos outros alunos envolvidos foram
apresentadas aos professores, sujeitos da pesquisa exploratória, sendo que, estes, consideraram
as animações resultantes como satisfatórias e adequadas e como complemento ao ensino de
temas da física. Por sua vez, os professores repassaram as animações aos seus respectivos
alunos do Ensino Médio, vindo a observar, de forma empírica, uma melhor compreensão dos
conceitos estudados.
Figura 1: Animação 3D: eclipse.
Fonte: elaborado pelos autores (2012).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A rápida transformação da sociedade pressiona a escola por inovação. Mas, a única
mudança conseguida, muitas vezes, não passa da mera substituição do giz e lousa por artefatos
tecnológicos modernos. Novas metodologias de ensino não existem. Existe apenas a migração de
uma velha forma de ensino para novos moldes.
Independente da não mudança de postura educativa, a mudança na maneira de
transmitir o conteúdo ministrado é um primeiro passo para a introdução de novas metodologias. A
troca de aulas expositivas por um conteúdo ilustrado, seja através de animações, ou outros
softwares, pode ser o caminho para a inserção de objetos de aprendizagens eficientes, capazes
de considerar os diferentes estilos de aprendizagem dos alunos, permitindo interação e tomada
de decisões pautadas em experiências particulares.
Outro ponto a ser tratado, o qual envolve uma questão mais complexa, que foge do
escopo deste texto, consiste na capacitação de professores e alunos para o uso das novas
tecnologias no ambiente educacional.
Nesta direção, ao buscar o apoio de alunos de um curso de graduação em Ciência da
Computação, estes autores pretenderam apresentar este problema aos graduandos e,
simultaneamente, buscar novas ideias para possíveis soluções a partir de seus pontos de vista
como profissionais da área de tecnologia da informação.
Paralelamente, o envolvimento de alunos deste curso também procurou criar uma ponte
que viesse a encurtar a distância entre os professores do Ensino Médio e seus respectivos alunos
no uso das novas tecnologias.
É esse o destino que se deseja atingir a partir do momento que o caminho percorrido por
esse artigo começou a ser trilhado. As animações são o ponto de partida para a produção de
material de ensino diferenciado, objetivando inovação no ensino de física tradicional. Para um
primeiro momento, os objetivos foram cumpridos, mas muito ainda existe por ser feito.
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