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| ANAIS DO ENCONTRO
EXPERIMENTOS VIRTUAIS Roberto Luiz Souza Monteiro José Roberto de Araújo Fontoura Gilney F. Zebende Marcelo A. Moret RESUMO A construção de laboratórios virtuais é um dos temas de grande interesse para a chamada educação à distância. Neste trabalho serão discutidos propostas para a utilização destes laboratórios, assim como as ferramentas de programação disponíveis. Palavras-chave: Tcl, educação à distância, simulação. 1. Introdução O maior problema na criação de cursos à distâncias nas áreas de ciências exatas e da terra, é o da realização de experimentos de laboratório. De fato, não basta ao aluno ler sobre as leis e fenômenos físicos, mas verificar sua validade em ambientes controlados. Isto só é possível em laboratório e com o uso de instrumentos e supervisão adequados. Entretanto, dado o custo elevado que as instalações de um laboratório apresentam, é praticamente inviável que cada aluno disponha do seu. É neste contexto que surge a proposta dos laboratórios virtuais: programas de computador capazes de simular ambientes e fenômenos físicos realisticamente, e sem nenhum custo adicional para os educandos. Partindo desta necessidade, diversas iniciativas têm surgido, tais como a Escola do Futuro, da Universidade de São Paulo, USP, e o Laboratório de Física Básica, proposta do Centro de Pós-graduação e Pesquisa Visconde de Cairu. Este último, objeto deste artigo. 2. Laboratório de Física Básica O projeto do Laboratório de Física Básica do Centro de Pós-graduação e Pesquisa Visconde de Cairu, começou movido pela necessidade de prover aos alunos, um ambiente virtual que simulasse, com toda a precisão, a realidade de um laboratório. Deste modo, questões como erros aleatórios provocados por fenômenos diversos, e até a falta de precisão dos instrumentos de medida foram considerados. Em um experimento de queda livre, por exemplo, o aluno deverá obter os mesmos resultados que obteria se o tivesse realizado a partir dos kits disponíveis no laboratório da escola. Neste experimento, é proposto ao aluno que deixe cair uma esfera, repetidas vezes, do alto de uma calha sobre uma mesa, e marque, sobre papel carbono, os pontos em que esta esfera atingiu o chão. É marcado também o ponto onde a esfera deixa a mesa e inicia sua trajetória parabólica em direção ao chão. O aluno mede, então, a distância entre cada mancha no papel e o ponto onde a esfera deixou a mesa. Com estes dados é calculado o ponto médio e o desvio padrão em torno da média. O que observa-se é que o resultado obtido experimentalmente cai dentro do valor esperado teoricamente. No laboratório virtual todas as variáveis aleatórias que podem envolver o experimento acima são consideradas e o aluno obterá os mesmos resultados, em casa, diante de seu computador. Outro experimento interessante, e que já se encontra disponível para download é o do pêndulo simples. Neste experimento, é proposto ao aluno que verifique a validade das leis que regem o movimento harmônico simples, a partir da oscilação de um pêndulo. O aluno pode variar o ângulo inicial da oscilação e a aceleração da gravidade, assim como, o comprimento e a massa do pêndulo. O resultado é o mesmo que seria obtido com um pêndulo real e um cronômetro digital. O programa do pêndulo simples, disponível para Linux e Windows, pode ser baixado de http://www.souzamonteiro.com/ead/pendulum/ Outro experimentos como os de colisão de dois corpos e refração e reflexão da luz, também estão previstos. Para um momento mais adiante, pretende-se modificar a implementação para acrescentar recursos como efeitos tridimensionais, perspectiva e movimento de câmera. Os requisitos de sistema, assim como as ferramentas de programação necessárias à implementação do projeto serão discutidas nos tópicos a seguir. 3. Requisitos de sistema Os requisitos de sistema para se implementar e executar um laboratório virtual irão depender dos recursos visuais oferecidos pela aplicação. Um laboratório que apresente apenas ambientes em duas dimensões, pode requerer apenas um sistema operacional com capacidade gráfica como o Linux ou o Windows, e um dispositivo apontador como um mouse. Por outro lado, se o pretendido é dar ao aluno a sensação real do experimento, podem ser necessários recursos adicionais como placa de vídeo com capacidade 3D, processador veloz e uma capacidade maior de memória. Laboratórios mais sofisticados podem requerer óculos 3D e luvas para realidade virtual. Estes recursos, no entanto, são caros e devem ser evitados em projetos de educação à distância. Atualmente há um consenso no sentido de que projetos envolvendo ambientes tridimensionais utilizem a tecnologia OpenGL, desenvolvida pela Silicon Graphics. Assim, a maioria dos sistemas operacionais modernos trazem a biblioteca OpenGL pré-instalada. Isso facilita o trabalho dos desenvolvedores, pois podem contar com este recurso para criação dos seus laboratórios virtuais. Deste modo, pode-se estabelecer como requisitos mínimos de sistema, os seguintes: a) Microcomputador com clock igual ou superior
a 233 Mhz; Caso se pretenda desenvolver a aplicação em Java, pode ser necessário pelo menos 128 MB no computador de desenvolvimento, enquanto que no computador dos alunos, permanecem as características acima. 4. Ferramentas de desenvolvimento As ferramentas necessárias para desenvolvimento de um laboratório virtual, em geral, dependem das características do projeto, Projetos modestos podem ser realizados utilizando-se uma ferramenta simples como o Visual Basic, ou mesmo o Delphi. Contudo, caso se pretenda desenvolver ambientes portáveis e sofisticados, deve-se optar por uma linguagem de programação mais robusta como o C/C++, a Tcl/Tk, ou o Java. De fato, as linguagens mais utilizadas na construção de simuladores são o C/C++ e a Tcl, esta última aplicada até mesmo em projetos avançados envolvendo ressonância magnética, astrofísica e biologia molecular. Tcl apresenta ainda a vantagem de poder ser facilmente integrada a outras linguagens como o C e o Fortran, o que permite o fácil reaproveitamento de bibliotecas gráficas e de cálculo já existentes para estas linguagens. A Tcl foi a linguagem escolhida para a implementação do Laboratório de Física Básica do CEPPEV. Os motivos foram o custo nulo para sua aquisição, a existência de ferramentas C.A.S.E. gratuitas, vasta documentação, inclusive em Português, suporte OpenGL, capacidade para ser executada como script, applet ou aplicação e principalmente, por ser capaz de gerar aplicações independentes de plataforma. A capacidade para gerar aplicações independentes de plataforma é uma característica importante a ser considerada, pois significa que um programa poderá ser executado, virtualmente, em qualquer sistema operacional, desde um Palm, até um super-computador. Poucas linguagens trazem esta característica. No site http://www.souzamonteiro.com pode se fazer o download do FreeTcl, um pacote profissional para desenvolvimento em Tcl, que inclui o Visual Tcl, uma ferramenta C.A.S.E. semelhante ao Visual Basic, documentação em formato HTML e até mesmo um servidor Web completo. O pacote é ideal para desenvolvimento de laboratórios virtuais pois inclui também, bibliotecas matemáticas para cálculo numérico, normalmente necessárias para simulações. No mesmo site, há um curso completo de programação em Tcl/Tk que pode ser estudado on-line, além de links para os principais repositórios desta linguagem. Algumas ferramentas adicionais como o VTK e o Nebula, permitem a rápida criação de cenários a partir de scripts Tcl ou C/C++. Ambas as ferramentas são gratuitas e podem ser baixadas, respectivamente, dos sites http://www.vtk.org e http://nebuladevice.sourceforge.net. 5. Conclusão O problema da criação de cursos virtuais, quase sempre se agrava, quando se trata de desenvolver materiais didáticos para as áreas de ciências exatas e da terra. Nestas área, é quase obrigatória a realização de experimentos de laboratório para a perfeita compreensão das leis e conceitos envolvidos. A construção de laboratórios virtuais, no entanto, não é uma tarefa trivial. É preciso considerar todas as variáveis envolvidas nos experimentos e até mesmo os eventos aleatórios que normalmente interferem nos resultados das tarefas propostas. O realismo dos experimentos e crucial para sua eficácia, e a escolha das ferramentas computacionais é determinante. Trabalhos vêm sendo realizados neste sentido, no Brasil e em outros países, contudo, pode-se esperar avanços notáveis para os próximos anos, e os passos que estão sendo dados agora determinarão a tecnologia educacional do amanhã. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MONTEIRO, Roberto Luiz Souza. Curso on-line de Tcl/Tk. Available from the World Wide Web: <URL:http://www.souzamonteiro.com> MONTEIRO, Roberto Luiz Souza. Tcl/Tk Guia de Consulta Rápida. São Paulo: Novatec, 2001. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert. Física
Básica. Rio de Janeiro: LTC, 1991.
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