Ferramenta Blender 3D, aplicada ao ensino da Física

Ferramenta Blender 3D, aplicada ao ensino
da Física por meio da interatividade virtual.
Felicio H. G. Castro,
R. O. Moura
(1,3)
, K. D. Oliveira
(1,3)
, W. L. Santos
B. Fraga
(1,2,3)
(1,3)
, R. C. Souza
(1,3)
, K. L. R. Queiroz
, J.W.M. Menezes
(1,3)
,
(1,3)
, W.
(1,2,3)
(1)
Instituto Federal do Ceará - IFCE – Campus Fortaleza
Departamento de Telemática - IFCE – Fortaleza, Ceará,
Brasil
Laboratório Especialista em Sistemas de
Telecomunicações e Ensino - LESTE
(2)
Universidade Federal do Ceará (UFC). Fortaleza, Ceará,
Brasil.
Departamento de Física
Laboratório de Telecomunicações e Ciência e Engenharia
dos Materiais LOCEM
(3)
Instituto Federal do Ceará - IFCE – Campus Sobral,
Ceará, Brasil.
Grupo de Pesquisa em Física Aplicada e Docência - GFAD
Resumo
É perceptível que a falta de simulações dificulta o
ensino de Física nas escolas, deixando o aprendizado
desta matéria muito a cargo do conhecimento prévio do
aluno e da capacidade do professor de exibir as
informações no quadro, visto que muitas instituições de
ensino não têm laboratórios à sua disposição. Este artigo
visa apresentar a alternativa da realidade virtual através
do software livre Blender 3D versão 2.49b e o seu poder
de auxiliar professores e alunos a partir da interatividade
com simulações computacionais das situações discutidas
em sala de aula. Os recursos e benefícios do Blender 3D
serão mostrados neste documento através de explicações
sobre seu funcionamento e de imagens do software em
aplicações físicas na área da Mecânica que geram
dificuldades na compreensão deste assunto por parte dos
estudantes, mostrando como o mesmo pode aperfeiçoar o
ensino da Física.
Palavras-chave: Ensino de Física, Mecânica, Realidade
Virtual, Blender 3D
Abstract
It’s noticeable that the absence of simulations makes the
teaching of Physics at schools hard, leaving the learning
of this discipline at charge of the previous knowledge of
the student and the ability of the teacher to show the
information at the board, since many institutions of
education don’t have laboratories at its disposal. This
article aim to show the alternative of the virtual reality
through the free software Blender 3D version 2.49b and
its power to aid teachers and students from the
interactivity with computer simulations of the situations
discussed at the classroom. The resources and benefits of
Blender 3D will be shown in this document through
explications of its operation and software images of
physics applications at the Mechanics topics which leave
difficulties at the understanding of this subject for
students, showing how the Blender 3D can improve the
teaching of Physics.
Keywords: Physics, Mechanics, Virtual reality, Blender
3D
1. Introdução
Um grande percentual dos alunos apresenta
dificuldades para aprender Física, e outras disciplinas
relacionadas com as Ciências da Terra. Apesar dos
motivos dessa dificuldade em compreender os fenômenos
físicos ainda não estarem totalmente esclarecidos, alguns
pesquisadores apontam a existência de modelos
conceituais relacionados ao senso comum como um dos
obstáculos no ensino da Física.
Esses modelos conceituais, também chamados de
concepções alternativas, são ideias e explicações criadas
pelos estudantes a partir da observação de fenômenos
presentes no seu dia a dia. Segundo Fiolhais e Trindade
[1], estudos realizados por vários pesquisadores, como
Trowbridge e McDermott; Caramazza, McCloskey, e
Green; Clement ; Champagne e Klopfer, indicam um
padrão de raciocínio nos alunos muito semelhante a uma
pré-Física, ou "Física aristotélica" ou "Física do senso
comum". Essas ideias são um dos principais obstáculos a
serem superados pelos professores, pois começam a ser
desenvolvidas na infância e tornam-se difíceis de serem
mudadas.
As pesquisas em concepções alternativas realizadas já
conseguiram delinear as suas características principais. A
primeira característica, e talvez a mais importante, é que
as concepções alternativas, em geral, não correspondem
às teorias e conceitos científicos. Outra característica das
concepções alternativas é a sua universalidade. Isto é, elas
são identificadas de modo semelhante nos mais diversos
países. A resistência à mudança parece ser também uma
característica marcante das concepções alternativas.
Indivíduos com diferentes idades apresentam, em geral, o
mesmo
padrão
de
concepções
alternativas
independentemente do tempo de envolvimento com a
instrução tradicional de ciência. Além disso, as
concepções alternativas possuem um amplo poder
explicativo. Isto ocorre porque a criança, em geral, não se
preocupa muito com a coerência e com a abrangência das
ideias e porque, ao mesmo tempo, apoia-se em uma visão
egocêntrica do mundo. Este comportamento é
frequentemente observado ainda na adolescência e
também na idade adulta. [2]
Para que o aluno diminua a sua resistência a assuntos
como, por exemplo, mecânica e cinemática é necessário
que os professores proporcionem experiências de
aprendizagem eficazes e inovadoras. A utilização de
recursos de multimídia e o melhor aproveitamento de
softwares educacionais podem facilitar o processo de
ensino uma fez que o aluno passa a interagir diretamente
com o conteúdo proposto.
Com o avanço tecnológico e a crescente
disponibilização de programas de modelagem e animação
é possível criar ambientes nos quais os alunos poderão
interagir com os objetos virtuais realizando inúmeras
experiências
que
ajudarão
posteriormente
na
exemplificação e assimilação de problemas da parte
teórica da Física. “A reunião de simulações com
experiências reais fornece um ambiente particularmente
rico do ponto de vista pedagógico que ajuda a substituir
ideias comuns por ideias cientificas” [1]
Com atenção especial aos recursos que o programa
Blender 3D tem a oferecer, nos dedicamos ao
desenvolvimento de um software que simula a colisão de
objetos, o comportamento do pendulo de Newton e a
interdependência dos movimentos simultâneos, com o
objetivo de ajudar estudantes e professores a superarem
suas concepções alternativas e que tratasse o assunto de
forma que facilite o seu entendimento por meio da
interatividade virtual.
2. Realidade Virtual
Burdea [3] e Kirner [4], conceituam a Realidade
Virtual (RV) como "uma técnica de interface onde o
usuário pode realizar imersão, navegação e interação em
tempo real num ambiente sintético tridimensional gerado
por computador (Ambientes Virtuais), utilizando canais
multissensoriais".
Segundo Mariluci Braga [5], a Realidade Virtual pode
ser classificada como:
 Sistemas de imersão: aqueles que submergem ou
introduzem o explorador de maneira estreita com
o mundo virtual, mediante a utilização de
sistemas visuais montados na cabeça chamados
Helmet Mounted Display (HMD).
 Realidade Virtual em segunda pessoa: envolve
respostas em tempo real. O explorador vê a si
mesmo dentro de cena, pois é colocado em frente
a um monitor no qual é projetada sua imagem
somada a outra imagem utilizada como fundo ou
ambiente.
 Sistema de Telepresença: a imersão é percebida
através de sons e respostas aos movimentos
realizados no mundo real.
 Sistema Desktop: englobam as aplicações que
mostram uma imagem 2D ou 3D na tela plana de
um monitor de computador.
2.1 Realidade Virtual e Educação
Os avanços tecnológicos nas áreas de TI e
comunicação ampliaram a utilização da Realidade Virtual,
possibilitando que outras áreas do conhecimento também
se beneficiassem de sua utilização. Como exemplo
podemos citar, a indústria do entretenimento (games,
simuladores, viagens virtuais, etc.), da saúde (cirurgias
virtuais, tratamento de pacientes em UTI, reabilitação,
etc.), dos negócios (maquetes virtuais, edificações,
interiores, etc.), setor de treinamentos (simuladores de
vôo, motocicletas, teste de qualidade de veículos, etc.) e
educação, onde está nosso foco de estudos e será a qual
daremos ênfase, buscando explorar as pesquisas em
andamento, como também as propostas para sua
utilização. Neste cenário podemos citar algumas razões
que podem contribuir para o sucesso destas aplicações ao
ensino, dentre elas destacam-se:
 Maior motivação dos usuários;
 O poder de ilustração da RV para alguns

processos e objetos é frequentemente superior as
outras mídias;
Permite análise do muito próximo e muito
distante;





Permite que pessoas com necessidades especiais
realizem tarefas que de outra forma não seriam
possíveis;
Dá oportunidades para inovar e criar
experimentos, experiências acadêmicas e
aplicadas ao mercado;
Permite que o aprendiz desenvolva o trabalho no
seu próprio ritmo;
Não restringe o prosseguimento de experiências
ao período da aula regular;
Permite que haja interação e desta forma
estimula a participação ativa do estudante.
encontra-se em, repouso. Na situação 2, a situação é
invertida, mas observe o sinal da quantidade de
movimento associada ao evento. Na situação 3, ambos os
corpos encontram-se em movimento, porém em sentidos
diferentes. A figura 1, abaixo, apresenta as três situações
descritas.
Essa grandeza física envolve a massa e velocidade dos
corpos, grandezas facilmente simuladas em Blender 3D:
3. Blender
Para fazer as simulações físicas deveremos utilizar um
software com as propriedades físicas já embutidas na sua
programação e com capacidade de modelagem 3D. O
Blender é um software que atende a todos esses
requisitos, alem disso é gratuito, leve e possui uma grande
variedade de tutoriais [6], [7], [8] e livros [9], [10]. Com o
Blender, podemos, além de modelar objetos, atribuir
valores às suas variáveis físicas, permitindo modificá-las
para observar as diferenças de comportamento em
ambiente virtual.
4. Princípios Físicos Aplicados no Blender
Utilizando-se o Blender, investigamos três fenômenos
físicos associados à quantidade de movimento. Os
fenômenos selecionados para simulações tridimensionais
com o Blender foram: colisão com bolas de bilhar (em
três condições específicas), pêndulo de Newton e a
apresentação dos movimentos.
4.1 Quantidade de Movimento
No estudo da Física, encontramos grandezas que se
conservam, isto é, grandezas que, com o decorrer do
fenômeno físico, mantêm o seu valor constante. Dois
exemplos que podem ser citados são a carga elétrica e a
energia mecânica em um sistema conservativo [9]. Na
mecânica existe outra grandeza física muito importante
que se conserva, conforme Equação 1, ela é conhecida
como quantidade de movimento (Q). A figura 1, abaixo
apresenta o situação de dois corpos A e B antes e depois
de uma colisão em três situações distintas: Na situação 1,
o corpo A encontra-se em movimento enquanto o corpo B
Figura 1. Demonstração do comportamento entre dois corpos A e B
antes e depois da colisão em três situações distintas.
m1v1  m2 v2
(1)
O produto da massa do corpo pela a sua velocidade é
definido como quantidade de movimento e a sua
orientação é sempre a mesma da velocidade.
Para simular a quantidade de movimento foi feita uma
superfície com seis bolas, das quais três irão ser
impulsionadas para colidirem com as outras três bolas. O
peso (P) das seis bolas e a velocidade (V) com que as
bolas serão impulsionadas são apresentados na tabela 1,
abaixo:
Impulsionadas
Bola
Bola
Bola
1
2
3
P
2P
P
Bola
4
P
Colididas
Bola
Bola
5
6
P
P
Peso
V
V
2V
0
0
0
Velocidade
Tabela 1. Relação entre o peso e a velocidade das bolas no experimento.
As bolas 1, 2 e 3 de pesos P, 2P, P e velocidades V, V,
2V respectivamente, serão impulsionadas contra as bolas
4, 5 e 6 de pesos idênticos P e inicialmente em repouso,
para visualizar as reações de cada bola. As propriedades
das bolas e do meio experimental podem ser modificadas
para observar se há mudança no comportamento delas.
Simulamos todas as condições apresentadas na tabela 1, e
as figuras 2A-C a baixo mostram o resultados destas
simulações no programa.
4.2 Pêndulos de Newton
O pêndulo de Newton é um dispositivo que recebe o
nome do físico Sir Isaac Newton por demonstrar
empiricamente a conservação do momento e da energia,
leis físicas estudadas e demonstradas por Newton. Nesta
simulação, uma esfera é deslocada de sua posição de
repouso e solta.
Devido á força gravitacional a esfera em questão
acelera de maneira a chocar-se com a outra esfera em
repouso. A outra esfera iniciará um movimento e subirá
uma certa altura por conta do movimento pendular.
Devido à existência de forças não conservativas,
principalmente o atrito das esferas com o ar, a energia
mecânica do sistema (compreendido pelas esferas
somente) tende a diminuir com o passar do tempo. Além
disso, choques não completamente elásticos entre as
esferas fazem diminuir a energia mecânica total.
Figura 2(A). Posição inicial das bolas ao rodar a simulação.
Figura 2(B). Posição momentos antes da colisão.
Para permitir a ilustração dos princípios de
conservação, no entanto, pode-se escolher esferas
massivas o suficiente para que a perda de energia por
atrito com o ar seja desprezível em um intervalo pequeno
de tempo. Além disso, a escolha de esferas de alta dureza
e de excelente coeficiente de restituição no impacto serve
para tornar as forças conservativas majorantes. [10]
Foi feita uma animação com pêndulos ideais colidindo
para simular o pêndulo de Newton conforme pode ser
visualizada nas Figuras 3A-C, onde mostrando o período
e a transferência de energia de uma esfera para outra,
podendo neste cenário de simulações estudarmos tanto
colisões quanto o movimento harmônico para ângulos
pequenos.
Figura 2(C). Posição final das bolas ao termino da simulação.
Figura 3(A). Condição inicial dos pêndulos na simulação.
Figura 5. Bolas de futebol momentos antes de se tocarem no ar.
Figura 3(B). Condição observada instantes antes da colisão.
5. Resultados esperados
Espera-se que, com o auxilio do Blender 3D, o ensino
da Física, e conseqüentemente das demais Ciências da
Terra, torne-se mais interativo e interessante para o aluno
e conseqüentemente contribuindo para que o trabalho dos
professores torne-se mais eficiente e didático, pois
simulações das propriedades físicas no Blender 3D podem
se tornar importantes ferramentas de ensino.
6. Conclusão
Figura 3(C). Condição dos pêndulos quando o pêndulo da direita atinge
a altura máxima.
4.3 Interdependência dos movimentos
Para demonstrar a interdependência dos movimentos
foi feito um programa com duas bolas de futebol, onde
uma será lançada diagonalmente e a outra será lançada
verticalmente. As duas serão lançadas ao mesmo tempo
para mostrar que a velocidade vertical da primeira bola
coincide durante todo o trajeto com a velocidade da
segunda bola. O Blender permite que a massa das bolas
possa ser alterada e deste modo torna-se possível mostrar
que a trajetória das mesmas não se altera quando lançadas
com uma mesma velocidade inicial.
Tratar problemas físicos em ambientes de realidade
virtual, que possibilitem ao aluno uma direta
interatividade com as forças e grandezas que constituem a
dinâmica do movimento, e outros ramos da Física, pode
tornar-se uma importante ferramenta de ensino e
aprendizagem.
Objetivando diminuir as dificuldades encontradas no
aprendizado das ciências físicas, todas as simulações
executadas no Blender, poderão ser disponibilizadas na
página da escola ou em blogs da internet e contribuir para
um melhor aprendizado por parte dos estudantes que
poderão a qualquer momento verificar estas simulações na
internet e também executar e treinar suas próprias
contribuições.
Devido a facilidade na operação do blender, espera-se,
que esta ferramenta possa ajudar os alunos na disciplina
de Física podendo ser expandida futuramente para outras
disciplinas, pois proporcionará aos alunos e educadores o
acesso a novas tecnologias para auxiliar no método de
ensino, contribuindo para melhorar ainda mais o ensino e
aprendizagem de nossos alunos.
Como trabalho futuro, realizaremos um banco de
simulações que deverão ser utilizadas nas salas de aula, da
mesma forma aplicaremos questionários de avaliação do
aplicativo e os impactos das simulações na aprendizagem
dos alunos. O questionário basicamente deverá analisar
fatores como: interesse despertado pela matéria,
visualização da informação, facilidade de uso, motivação
com o material, melhora no entendimento do conteúdo e
aceitação do aplicativo.
7. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Fiolhais, C.; Trindade, J. Física Para Todos - Concepções
Erradas em Mecânica e Estratégias Computacionais; 1
Colóquio de Física do Instituto Politécnico de Tomar "A
Física no Ensino na Arte e na Engenharia"
Harres,J. Um teste para detectar concepções alternativas
sobre tópicos introdutórios de ótica geométrica.
Burdea, G.; Coiffet, P. Virtual Reality Technology. John
Wiley & Sons, 1994.
Kirner,C.; Sistemas de realidade virtual; Grupo de
Pesquisa em Realidade Virtual, Departamento de
Computação
(UFScar);
Disponível
em:
http://www2.dc.ufscar.br/~grv/tutrv/tutrv.htm#sumario1.,
Acesso: 14/04/2011.
Braga, M. Realidade Virtual e Educação; Revista de
Biologia e Ciências da Terra, volume 1, número 1, 2001.
http://www.cgtextures.com/
http://www.tutorialsforblender3d.com/
http://www.blender.org/
BRITO, Allan. Blender 3D – Guia do Usuário. São Paulo:
Novatec, 2007. 2ª Ed.
RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; S. KRANE,
Kenneth. Fundamentos da física. 4ª edição. Volume 1.