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    Novas Tecnologias na Educao CINTED-UFRGS

    Aprendizagem utilizando Dispositivos Mveis com Sistemas de Realidade Virtual

    Edgar Maral*

    Rossana Andrade** Riverson Rios**

    Resumo. A computao mvel emerge como uma tecnologia inovadora para a rea educacional. Neste trabalho apresentado um framework para a construo de aplicaes educacionais em dispositivos mveis com recursos de realidade virtual. Este framework tem como objetivo principal fornecer ao desenvolvedor uma arquitetura consistente para implementao de programas em dispositivos mveis, com foco na aprendizagem. Para validao do framework foi desenvolvido um prottipo que demonstra sua interatividade, usabilidade e portabilidade, alm de permitir uma experimentao da integrao das tecnologias de realidade virtual e computao mvel. Palavras-Chave: Aprendizagem Mvel, Realidade Virtual, Framework

    Abstract. Mobile computing emerges as an innovative technology for the educational area. In this work framework for the construction of educational applications in mobile devices with resources of virtual reality is presented one. This framework has as objective main to supply to the desenvolvedor a consistent architecture implementation of programs in mobile devices, with focus in the learning. For validation of framework an prototype that demonstrates its interatividade, usability and portabilidade, besides allowing to an experimentation of the integration of the technologies of virtual reality and mobile computation was developed. Keywords: Mobile Learning, Virtual Reality, Framework

    1. Introduo As tecnologias de computao mvel encontram-se atualmente em franca evoluo e parecem destinadas a transformar-se no novo paradigma dominante da computao (Myers et al., 2003). A utilizao de dispositivos mveis na educao criou um novo conceito, o chamado Mobile Learning ou m-Learning. Seu grande potencial encontra-se na utilizao da tecnologia mvel como parte de um modelo de aprendizado integrado, caracterizado pelo uso de dispositivos de comunicao sem fio, de forma transparente e com alto grau de mobilidade (Ahonen, 2003; Syvnen, 2003). Essa oferta de servios de telecomunicaes e de artefatos computacionais, capazes de prover mobilidade aos diferentes participantes de projetos educacionais, apresenta a oportunidade para o desenvolvimento de pesquisas no campo da computao mvel aplicadas educao (Meirelles et al., 2004).

    Por outro lado, a educao tambm pode ser vista como um processo de explorao, de descoberta e de construo de conhecimento. Como um ambiente de

    ___________________________ * Mestrando em Cincia da Computao Universidade Federal do Cear (UFC) edgar@lia.ufc.br ** Professor(a) Doutor(a) do Mestrado e Doutorado em Cincia da Computao da UFC {rossana, riverson}@ufc.br

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    apoio aprendizagem, os mundos tridimensionais virtuais, onde o sujeito possa se movimentar, ouvir, ver e manipular objetos, como no mundo real, representam interessantes oportunidades disposio dos educadores. A introduo dos chamados Sistemas de Realidade Virtual (SRV) na educao pode modificar significativamente o papel destes educadores (Ferreira et al., 2004).

    Os recursos de realidade virtual nas aplicaes de m-Learning podem propiciar um incremento na aprendizagem ao fornecerem os seguintes benefcios:

    Apoiar e motivar o aprendizado em excurses, fornecendo cenrios virtuais semelhantes aos reais acrescidos de informaes complementares (Bricken, 1993).

    Melhorar a compreenso sobre determinada obra ou experimento, atravs de uma maior aproximao e de uma visualizao sob diferentes ngulos (Erickson, 1993).

    Permitir a simulao e a anlise de experincias recm vivenciadas, seja na prpria sala de aula, no laboratrio ou em passeios educativos.

    Possibilitar a demonstrao do funcionamento de equipamentos, atravs de simulaes, para auxiliar na resoluo de problemas tcnicos no momento do atendimento. Funcionando como um manual tridimensional (3D) porttil.

    Inmeros desafios se apresentam quando so projetadas aplicaes educacionais para dispositivos mveis com caractersticas de realidade virtual: Como produzir um cenrio 3D motivador, juntamente com imagens e informaes nas reduzidas telas dos telefones celulares? Como possibilitar formas de interao eficientes? Como contornar a limitao de memria e processamento dos dispositivos mveis?

    Este trabalho apresenta o VirTraM (Virtual Training for Mobile Devices), um framework orientado a objetos voltado para o desenvolvimento de aplicaes educacionais inovadoras, que incorporam recursos de realidade virtual em dispositivos mveis. Este framework pretende solucionar os desafios mencionados anteriormente, tornando-se uma soluo de arquitetura para a construo de aplicaes educacionais em dispositivos mveis.

    Este artigo apresenta, na Seo 2, aspectos envolvidos na aprendizagem atravs da utilizao de dispositivos mveis e caractersticas de SRVs aplicados educao. A Seo 3 apresenta a arquitetura do framework, destacando os requisitos das aplicaes. A Seo 5 descreve o estudo de caso implementado. E a Seo 6 apresenta as concluses e os trabalhos futuros.

    2. Educao: Computao Mvel e Realidade Virtual Este artigo fundamenta-se na utilizao de dispositivos mveis para a aprendizagem, caracterizando a rea de m-Learning descrita na Seo 1, utilizando Sistemas de Realidade Virtual.

    2.1. Mobile Learning O paradigma Mobile Learning ou m-Learning surge aproveitando-se da disponibilidade de dispositivos mveis e considerando-se as necessidades especficas de educao e treinamento (Nyiri, 2002).

    As pesquisas em m-Learning tm-se voltado para dois grupos de usurios principais: crianas e profissionais que exercem suas atividades em campo, neste artigo

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    definidos como trabalhadores externos. Dispositivos mveis fornecem um novo e motivador paradigma de interao, particularmente para as crianas, e vrias iniciativas tm sido desenvolvidas nessa rea (Oosterholt, 1996; Danesh, 2001). No caso de trabalhadores externos, cuja rotina bastante dinmica, envolvendo viagens a diferentes localidades, a preocupao fornecer um ambiente de aprendizado que ponha sempre sua disposio a informao mais atualizada possvel. Desta forma, o m-Learning surge como uma importante alternativa de ensino e treinamento distncia, na qual podem ser destacados os seguintes objetivos:

    Melhorar os recursos para o aprendizado do aluno, que poder contar com um dispositivo computacional para execuo de tarefas, anotao de idias, consulta de informaes via Internet, registro de fatos atravs de cmera digital, gravao de sons e outras funcionalidades existentes;

    Prover acesso aos contedos didticos em qualquer lugar e a qualquer momento, de acordo com a conectividade do dispositivo;

    Aumentar as possibilidades de acesso ao contedo, incrementando e incentivando a utilizao dos servios providos pela instituio, educacional ou empresarial;

    Expandir o corpo de professores e as estratgias de aprendizado disponveis, atravs de novas tecnologias que do suporte tanto aprendizagem formal como informal;

    Fornecer meios para o desenvolvimento de mtodos inovadores de ensino e de treinamento, utilizando os novos recursos de computao e de mobilidade.

    O instituto de pesquisa SRI (Stanford Research Institute) realizou uma pesquisa sobre a utilizao de dispositivos mveis nas escolas (Crawford et al., 2002). Foram pesquisadas mais de 100 instituies de ensino nos Estados Unidos, do ano de 2000 a 2002. Este estudo concluiu que os dispositivos mveis podem oferecer benefcios nicos aos alunos, conforme descrito a seguir. Os professores participantes demonstraram uma grande aceitao da computao mvel em suas salas de aula. A seguir so apresentados alguns nmeros que demonstram essa aceitao:

    89% dos professores disseram que descobriram nos dispositivos mveis eficientes ferramentas de ensino;

    93% dos professores acreditam que os dispositivos mveis podem ter um impacto positivo na aprendizagem dos alunos;

    90% dos professores pretendem continuar a utilizar os dispositivos mveis em suas aulas;

    75% dos professores que permitiram que os alunos levassem os dispositivos mveis para casa, constataram um aumento na concluso dos trabalhos de casa;

    Entre os alunos, 66% acharam confortvel o uso do dispositivo mvel.

    Quase a totalidade dos professores afirmou que a utilizao de softwares educativos apropriados e acessrios foi de fundamental importncia na aprendizagem, ao complementar os recursos bsicos dos dispositivos mveis. Por exemplo: alunos podem utilizar sondas acopladas a PDAs para medir e registrar a qualidade da gua dos rios.

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    Em geral, a maioria dos professores afirmou que a introduo da computao mvel na sala de aula aumentou a motivao para aprender, a colaborao e a comunicao entre os estudantes.

    Em particular, dispositivos de comunicao sem fio oferecem a uma extenso natural da educao a distncia via computadores (Lehner et al. , 2002), pois contribuem para a facilidade de acesso ao aprendizado, por exemplo, na obteno de contedo especfico para um determinado assunto, sem hora e local pr-estabelecidos.

    2.2. A Realidade Virtual no Contexto Educacional Kirner (2004) define realidade virtual (RV) como uma tcnica avanada de interface, onde o usurio pode realizar imerso, navegao e interao em um ambiente sinttico tridimensional gerado por computador, utilizando canais multi-sensoriais. Atravs de cenrios tridimensionais, possvel representar uma grande variedade de situaes voltadas para diversas reas de aplicao, tais como: excurses virtuais em mundos reais (como museus, terrenos, etc.) ou imaginrios e representao de objetos (carros, mquinas, etc) ou personificaes de seres reais (homem, animal, etc) ou imaginrios (aliengenas).

    Como um ambiente de apoio aprendizagem, os SRVs disponibilizam aos educadores, a oportunidade de possibilitar aos alunos o aprendizado por experimentao, pois o aluno poder movimentar-se, ouvir, ver e manipular objetos, como se estivesse no mundo real. A Tabela 1 apresenta algumas reas potenciais onde os benefcios dos SRVs educacionais podem ser esperados.

    Tabela 1: Uso potencial dos SRVs (Ferreira et al., 2004)

    Uso potencial Benefcios comparados com os mtodos tradicionais

    Simulao de sistemas complexos Habilidade para observar a operao do sistema a partir de um nmero de perspectivas aliadas a uma alta qualidade de visualizao e interao.

    Visualizao macroscpica e microscpica

    Observao de propriedades de objetos, que so muito grandes ou muito pequenos para serem observados em escala normais.

    Simulao em tempos mais rpidos ou mais lentos

    Habilidade para controlar a escala de tempo em um evento dinmico. Esta facilidade pode operar como no avano ou retrocesso rpido dos gravadores de vdeo modernos.

    Altos nveis de interatividade Os SRVs permitem um grau maior de interatividade que outros sistemas baseados em computador.

    Sensao de imerso Em algumas aplicaes, a sensao de escala extremamente importante.

    Flexibilidade e adaptabilidade Um mesmo SRV pode ser alocado a diversos usos.

    3. VirTraM Um framework orientado a objetos um modelo reutilizvel representado por um conjunto de classes que colaboram entre si e constituem a arquitetura principal de uma aplicao ou sub-sistema (Mattsson, 1996). A idia principal de um framework

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    permitir que um conjunto de recursos comuns seja reaproveitado para cada novo software criado. A utilizao de frameworks facilita o desenvolvimento de aplicaes ao permitir que o programador trabalhe com menos elementos, abstraindo os detalhes de implementao. Outros benefcios so a modularidade e a re-usabilidade (Fayad et al., 1999).

    O VirTraM tem como objetivo principal prov uma arquitetura para a construo de aplicaes voltadas ao treinamento de indivduos utilizando dispositivos mveis com recursos de realidade virtual. As aplicaes desenvolvidas a partir do VirTraM atendero determinados requisitos em comum, descritos a seguir.

    Mobilidade. O usurio est em movimento e a aplicao deve poder ser usada em qualquer local e a qualquer momento, sempre que for preciso. Desta forma, no pode haver dependncia dos recursos de comunicao. Antes da instalao, necessrio copiar a aplicao, que se encontra em um servidor, para o dispositivo mvel, que funciona como cliente. Aps ser instalada, a aplicao deve funcionar localmente no dispositivo e independentemente de uma conexo de dados, com ou sem fio. Assim, garante-se que a aprendizagem no ser interrompida em caso de ausncia de comunicao.

    Interatividade. Segundo Rossou (2004) a interatividade a razo de ser de um mundo virtual. Nesse contexto, a interatividade est associada habilidade do usurio escolher um caminho dentro do mundo virtual, podendo navegar livremente e manipular os objetos tridimensionais. As formas de manipulao podem ser as operaes de rotao e translao e o disparo das animaes especficas dos objetos.

    Portabilidade (Heterogeneidade). A aplicao pode ser executada em diferentes plataformas, caracterstica presente tanto na computao mvel como na realidade virtual (Luchini, 2004; Marson, 2003). A aplicao deve ser compatvel tanto com telefones celulares quanto com PDAs, suportando diferentes sistemas operacionais.

    Facilidade de uso. Segundo Avellis et al. (2003), a aplicao deve ser simples e fcil de usar, pois o usurio no tem como atividade fim a utilizao da aplicao mvel, e sim atravs dela atingir uma determinada finalidade. Isso importante principalmente quando se levada em considerao a complexidade de aplicaes com recursos de realidade virtual.As seguintes tcnicas so empregadas para proporcionar uma maior facilidade de uso da aplicao mvel:

    Minimizar a entrada de texto;

    Evitar muitos nveis de profundidade nas telas da aplicao, ou seja, uma tela que chama outra tela que por sua vez chama outra tela e assim por diante;

    Utilizar imagens para diminuir a quantidade de texto.

    Informao essencial. As tecnologias de computao mvel devem ser utilizadas em funo das tarefas a realizar, mantendo a informao essencial e descartando a informao suprflua.

    Contedo. A aplicao deve possuir um repositrio de informaes para possibilitar ao usurio um melhor entendimento do ambiente virtual. Atravs de representao tridimensional, simulao de fenmenos do mundo real, informaes descritivas e imagens, o usurio tem uma melhor compreenso do treinamento.

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    3.1. Arquitetura O VirTraM composto por um conjunto de classes que sero adaptadas pelo programador para o desenvolvimento de uma aplicao educacional especfica, que atender os requisitos mencionados no incio da Seo 3. Para a implementao do VirTraM utilizou-se a plataforma Java 2 para dispositivos mveis (J2ME - Java 2 Micro Edition) (Sun, 2004). Adotou-se esse ambiente principalmente pela sua grande portabilidade (suportado pela maioria dos fabricantes de dispositivos mveis). As classes do VirTraM colaboram entre si e devem ser reutilizadas como um todo para a construo da aplicao. O VirTraM encapsula os detalhes de implementao do J2ME e permite ao programador concentrar-se nos aspectos da aplicao de treinamento. A Figura 1 apresenta a arquitetura do VirTraM, cujos detalhes so descritos a seguir.

    Figura 1. Arquitetura do VirTraM

    O Pacote de Apresentao consiste de conjunto de classes responsveis pelas funcionalidades visuais utilizadas nas interfaces da aplicao, tais como: menu com as interaes, avisos de alertas e caixas de seleo.

    O Pacote 3D contm as classes essenciais para a construo dos ambientes tridimensionais das aplicaes. Responsveis pelas funes 3D, tais como: renderizao, rotao, translao, mudana do ngulo de viso virtual e deteco de coliso. Um outro recurso importante desse pacote o apontador, utilizado no ambiente para selecionar os objetos 3D.

    O Pacote de Interao responsvel por capturar as diferentes interaes do usurio, disparar as funcionalidades solicitadas e retornar os resultados para a aplicao. As formas de interao previstas so o teclado ou a tela sensvel ao toque do dispositivo mvel. Porm, o framework pode ser estendido para suportar outras formas de interao, como localizao via GPS ou Wi-Fi.

    O Pacote de Persistncia fornece as classes responsveis pelo acesso aos dados da aplicao. Entre as principais funcionalidades desse pacote podemos destacar consulta, armazenamento e alterao das informaes do treinamento.

    O Pacote Nativo fornece as classes responsveis pelo acesso aos recursos especficos de determinados dispositivos, tais como: recursos de som e funo para vibrar o dispositivo mvel.

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    4. Estudo de Caso O museu virtual foi escolhido como estudo de caso para o VirTraM. Algumas iniciativas tm sido desenvolvidas com o objetivo de representar museus do mundo real em computadores (Wojciechowski, 2004; Corcoran, 2002; Charitos, 2001; Wazlawick, 2001). Porm, importante salientar que a maioria dos museus encontrados na Internet, ditos virtuais, trata-se apenas de simples pginas Web, sem recursos de realidade virtual. Desta forma, este trabalho utiliza o termo museu virtual para ambientes tridimensionais interativos que possibilitam navegao, simulao e sensao de imerso, total ou parcial. Algumas das vantagens dos museus virtuais so: motivao para uma maior explorao do acervo do museu, atravs da possibilidade de aproximao e manipulao das obras; visualizao e simulao de experimentos nos museus de cincias, para que os alunos possam fixar os conceitos tericos aprendidos; e, maior poder de ilustrao j que a realidade virtual, possibilitando a viso em trs dimenses, permite o emprego de mltiplas camadas de referncia (profundidade, tamanho, posio, etc.) no aprendizado.

    O prottipo implementado utiliza recursos de realidade virtual para simular um museu real ou imaginrio, propiciando excurses virtuais interativas e aumentando a motivao para a aprendizagem. Dispositivos mveis podero ser utilizados no interior dos museus, funcionando como guias virtuais e fornecendo informaes importantes sobre as obras durante as visitas.

    O prottipo consiste de um programa para dispositivos mveis, implementado a partir do VirTraM e que possibilita a obteno de conhecimento sobre os acervos de museus. O desenvolvimento no tomou como base um museu real. O ambiente tridimensional composto por duas salas, com quadros e uma escultura. O visitante pode navegar pelas salas, olhando para os lados, para cima e para baixo. Toda a interao feita com a utilizao das teclas do telefone celular. O usurio pode, ora movimentar-se, ora movimentar o apontador, ou ainda movimentar um objeto 3D. Ao selecionar um objeto 3D, um menu aparece e o usurio pode escolher entre consultar a descrio daquela obra ou executar uma animao associada, caso exista. importante ressaltar que o prottipo implementado utiliza o conceito de realidade virtual no imersiva, a qual no necessita de equipamentos sofisticados como luvas 3D ou culos especiais. A Figura 2 apresenta algumas telas do museu virtual desenvolvido, capturadas a partir do emulador do Wireless Toolkit (WTK) (Sun, 2004).

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    a)

    b)

    c)

    Figura 2. a) Uma viso ampla de uma das salas do museu virtual. b) Uma viso aproximada da escultura virtual, destacando o menu com suas possibilidades de interao. c) A Interface de Contedo, apresentando as informaes da obra selecionada.

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    5. Concluses e Trabalhos Futuros Este trabalho mostrou o emprego das tecnologias de computao mvel e realidade virtual na educao, e apresentou um framework que rene funcionalidades de ambas tecnologias, o VirTraM. Este consiste em uma arquitetura reutilizvel e expansvel para a construo de aplicaes educacionais em dispositivos mveis. O prottipo desenvolvido, baseado no VirTraM, demonstrou a integrao, de forma segmentada, entre o ambiente tridimensional e o contedo educativo, sem complicar a usabilidade da aplicao e considerando as restries do visor do dispositivo. O prottipo tambm apresentou formas alternativas de interao, que permitiram ao usurio poder ora navegar ora manipular os objetos, interagindo apenas com as teclas do telefone celular. Por estas razes, o VirTraM pode evoluir e ser aplicado em outras reas tais como: educao industrial, laboratrios de cincias e manuteno em campo.

    Como trabalho futuro, planeja-se possibilitar, atravs da colaborao ou competio entre os visitantes, uma aprendizagem em grupo, utilizando-se tecnologias de comunicao sem fio. Outro plano para o futuro a utilizao de localizao automtica atravs de tecnologias como GPS (Global Positioning System) ou Wi-Fi, semelhante ao projeto desenvolvido por Gth et al. (2004), que utiliza essas tcnicas para auxiliar um passeio em um campus universitrio. Assim, a navegao do usurio dentro do ambiente virtual se daria de forma automatizada, medida que ele se desloca no ambiente real.

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