1º Simpósio Ibérico de Informática Educativa

Univ. de Aveiro

22 - 24 de Setembro de 1999

 

Concepção de Ambientes Virtuais:

descrição e apresentação de um caso prático

Jorge A. Trindade

Departamento de Física

Escola Superior de Tecnologia e Gestão

Instituto Politécnico da Guarda

Guarda

jtrindade@ipg.pt

e

Carlos Fiolhais

Centro de Física Computacional e Departamento de Física

Universidade de Coimbra

Coimbra

tcarlos@ fis.uc.pt

 

Resumo

Criticado por uns e defendido por outros, o computador tem hoje um lugar de destaque no ensino. Ao longo de duas décadas o seu uso não só se intensificou (nas escolas e nos lares) como também se diversificou (cálculo, aquisição de dados, simulações, multimedia, etc.). Recentemente, com a democratização da "Internet" e o aparecimento no mercado de computadores pessoais com apreciáveis qualidades gráficas, têm-se desenvolvido novas aplicações para o ensino baseadas em "java" e em realidade virtual.

O desenvolvimento de ambientes virtuais tem atraído a atenção quer pelas características desta nova tecnologia, que permitem concretizar alguns princípios pedagógicos, quer pelo aparecimento de hardware de baixo custo e de ferramentas de desenvolvimento de fácil utilização. Contudo, há um conjunto de características a ter em consideração no desenvolvimento de aplicações. São descritos neste artigo alguns breves aspectos. A descrição será ilustrada através do nosso projecto Água Virtual. Trata-se de um ambiente virtual que está a ser desenvolvido pelo Centro de Física Computacional da Universidade de Coimbra em colaboração com várias instituições nacionais, para alunos do ensino secundário e do ensino superior, e que envolve conceitos de mecânica quântica e de dinâmica molecular.

 

1. Introdução

A utilização do computador como auxiliar de ensino e de aprendizagem está hoje vulgarizada [Den96]. Apesar de alguma controvérsia nos anos 70, o seu uso tem-se intensificado e diversificado. Popularizado inicialmente como ferramenta de cálculo, ele é hoje usado de formas diversas e complementares: simulação, multimedia, aquisição de dados em tempo real, telemática e, mais recentemente, realidade virtual [FT99].

A realidade virtual (RV) ganhou na presente década alguma notoriedade [BB93]. Para tal contribuíram diversos factores como o aumento das capacidades gráficas dos micro-computadores, o desenvolvimento de interfaces de fácil utilização, o aparecimento de software de desenvolvimento de ambientes virtuais (VRToolkit), e a diminuição dos custos de equipamento. A sua aplicação tem-se intensificado e diversificado em áreas como a indústria e a arte, passando pela arquitectura, comunicação, medicina, entretenimento, investigação científica, educação, etc..

A utilização da RV na educação tem motivado trabalhos em vários países para avaliar as possibilidades desta tecnologia [TF96, Shu99, Wic92]. Alguns exemplos, no domínio das ciências exactas e naturais, são: nos Estados Unidos, o Chemistry World (estudo de átomos e moléculas simples), realizado no Human Interface Technology Laboratory da Universidade de Washington; o NewtonWorld (dinâmica de colisões), o MaxwellWorld (electrostática), e o PaulingWorld (estruturas moleculares complexas), ambos realizados em colaboração entre a Universidade de George Mason (Fairfax) e a Universidade de Houston-Downtown (Texas); o Vicher (reactor virtual para o estudo da engenharia de reacções químicas), realizado na Universidade de Michigan; o Virtual Windtunnel (túnel de vento virtual), realizado pelo NASA Ames Research Center; no Brasil, o Virtual Lab (laboratórios virtuais de Física e de Química), realizado na Universidade Federal de Santa Catarina; em Israel, o Knowmagine (museu virtual de ciência e tecnologia), realizado na Universidade de Tel-Aviv; em Portugal, o Água Virtual (conjunto de cenários de mecânica quântica e de dinâmica molecular para o estudo da água), realizado no quadro de uma colaboração entre o Centro de Física Computacional da Universidade de Coimbra, a Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico da Guarda, o Exploratório Infante D. Henrique e o Centro de Computação Gráfica.

O projecto Água Virtual pretende aliar a representação gráfica tridimensional imersiva de alguns conceitos abstractos de mecânica quântica com a modelação da dinâmica molecular da água. Os assuntos abordados no projecto vão desde o estudo da geometria da molécula até à dinâmica das fases líquida e gasosa, passando pela estrutura da fase sólida, pela análise dos modos normais de vibração da molécula de água, pelo estudo da sua densidade electrónica e das suas orbitais moleculares. Este trabalho permite explorar os principais artifícios de um ambiente virtual, desde o Walk-Through (um tipo de interacção na qual o utilizador pode "andar" pelo ambiente virtual), até à simulação de comportamentos específicos de modelos dos cenários.

Um dos factores que mais tem contribuído para o desenvolvimento de aplicações para o ensino foi o aparecimento de VRToolkits relativamente acessíveis, como por exemplo o WorldToolkit (SENSE8TM), o VRT (SUPERSCAPETM) e o dVISE (DIVISIONTM), só para referir os mais utilizados. Estes, apesar de facilitarem a elaboração de ambientes virtuais, não dispensam alguns conhecimentos muito específicos. Desde o planeamento prévio do ambiente virtual, até à sua programação e avaliação, passando pelos diferentes tipos de modelação (geométrica, física, cinemática e acústica), há uma diversidade de aspectos a ter em consideração [Kal93].

Não existindo, ainda, na literatura trabalhos suficientemente esclarecedores sobre o modo de desenvolver aplicações de RV, este artigo tem por objectivo sistematizar, de uma forma geral, esse tema. A explanação é ilustrada com o projecto Água Virtual.

 

2. Definição da aplicação a desenvolver

Um ambiente virtual é um cenário gráfico, tridimensional e interactivo gerado por computador. A sua exploração é feita através de um tipo de sistema de RV e constitui uma extensão das simulações convencionais num ecrã de computador.

Usando hardware específico (luva, capacete, etc.), é possível interagir e manipular elementos desses cenários, numa completa sensação de imersão [TF96]. Assim, a definição clara do ambiente virtual a desenvolver constitui um momento importante no projecto. Aspectos como população alvo de utilizadores e objectivos a alcançar determinam o tipo de sistema de RV a usar bem como as características do ambiente virtual.

No projecto Água Virtual a população alvo são os alunos dos anos terminais do ensino secundário e do primeiro ano do ensino superior. O objectivo principal do trabalho é avaliar a RV como ferramenta auxiliar no ensino e aprendizagem de alguns conceitos de mecânica quântica e mecânica clássica.

Para metodizar o desenvolvimento de uma aplicação de RV, ilustrando o processo convenientemente, podem considerar-se as seguintes etapas:

Cada uma destas fases será explicada e ilustrada de seguida.

 

2.1 Definição dos requisitos do sistema de RV

Consiste na identificação e descrição dos requisitos do ambiente virtual pretendido. É necessário atender a algumas exigências:

 

2.2 Projecto do sistema

Consiste na especificação da configuração mínima do sistema de RV necessário. Deve especificar-se claramente [Stu96]:

 

Figura 1 - Ciclo de simulação da Água Virtual usando o WorldToolkit.

 

2.3 Implementação

As principais actividades compreendidas nesta fase são:

a)

b)

c)

d)

Figure 2 - Alguns modelos tridimensionais do cenário de mecânica quântica da Água Virtual: a) representação em ball-and-stick da geometria da molécula de água; b) representação de uma superfície de igual densidade da molécula de água; c) e d) representação das terceira e quarta orbitais moleculares da água, respectivamente. Os modelos foram obtidos com o PC Gamess e o Molden.

 

a)

b)

Figure 3 - Duas imagens do cenário de dinâmica molecular da Água Virtual: a) a fase gasosa, com o modelo ball-and-stick da água, mostrando 20 moléculas numa caixa; b) a fase sólida, com o mesmo número de moléculas, mas com a representação da densidade electrónica. Estes modelos foram criados usando o mesmo software da Figura 2, tendo-se usado o Visual C++ para implementar do algoritmo de dinâmica molecular.

Figura 4 - Modelo geral de desenvolvimento de uma aplicação de RV [Som94].

2.4 Avaliação

Esta derradeira fase do desenvolvimento de uma aplicação de RV consiste num teste à sua funcionalidade. A avaliação integral do projecto Água Virtual (envolvendo alunos) ainda não foi realizada. Apenas tem sido feita de modo informal através das pessoas ligadas à equipa de trabalho e outras pessoas interessadas.

 

Conclusões

É crescente o interesse pelo desenvolvimento de aplicações de RV para o ensino. Foi aqui descrito o processo geral de desenvolvimento de um ambiente virtual. As várias etapas foram ilustradas com o projecto Água Virtual.

Ainda não existem resultados da avaliação do projecto pelo facto do trabalho estar em fase de desenvolvimento.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Prof. Dr. Victor Gil pelas suas sugestões para a implementação do projecto Água Virtual, e ao Prof. Dr. José Carlos Teixeira pelas facilidades concedidas. Agradecem também a André Dias pela colaboração prestada no desenvolvimento do algoritmo da dinâmica molecular.

 

Referências

[BB93]

Bricken, M. and Byrne, C. (1993). Summer students in virtual reality. In Wexelblat, A. (Ed.), Virtual Reality: Applications and Exploration, pages 199-218, New York: Academic Press.

[Den96]

Dengler, R. (1996). Computers in Physics education - general aspects and examples of hardware and software. In Oblak S. et al. (ed) Proceedings of New Ways of Teaching Physics, GIREP/ICPE, International Conference, Ljubljana, Slovenia.

[FT99]

Fiolhais, C. and Trindade, J. (1999). Use of Computers in Physics education. Proceedings of the "Euroconference'98 – New Technologies for Higher Education". Univ. Aveiro: ed. A. Ferrari, Aveiro.

[Gam]

'PC Gamess', a program for ab initio quantum chemistry, written by Alex. A. Granovski, Moscow State University.

[Kal93]

Kalawsky, R. (1993). The Science of Virtual Reality and Virtual Environments. A Technical, Scientific and Engineering Reference on Virtual Environments. Addison-Wesley Publishing Company.

[Mol]

'Molden', a package for displaying MOLecular DENsity, written by G. Schaftenaar, CAOS/CAM Center Nijmegen, Toernooiveld, Nijmegen, The Netherlands.

[Shu99]

Shulman, S. (1999). Virtual reality goes to scholl. Computer Graphics World, March, p. 38-44.

[Som94]

Sommerville, I. (1994). Software Engineering, Fourth Ed., Addison-Wesley, Reading, MA.

[Stu96]

Stuart, R. (1996). The Design of Virtual Environments, McGraw-Hill, Fairfield, Pennsylvania.

[TF96]

Trindade, J. e Fiolhais, C. (1996). A realidade virtual no ensino e na aprendizagem da Física e da Química. Gazeta da Física 19, pages 11-15.

[Wic92]

Wickens, C. (1992). Virtual Reality and Education. Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 1, pages 842-847, New York: IEEE Press.

[Wor]

'WorldToolkit Reference Manual' (1996). Sense8 Corp, Release 6, Mill Valley, CA.