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AMBIENTES FÍSICO-VIRTUAIS DE APRENDIZAGEM
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Lívia Leal Laranjeira
1 AMBIENTES FÍSICO-VIRTUAIS DE APRENDIZAGEM Rafael Augusto Penna dos Santos Dra. Silvia Silva da Costa Botelho Orientadora Rio Grande 2014
2 2 Ambientes Físico-Virtuais de Aprendizagem Por Rafael Augusto Penna dos Santos Tese de Doutorado apresentada ao programa de pós-graduação em Educação em Ciências, da Universidade Federal do Rio Grande, como requisito parcial para obtenção do título de Doutor em Educação em Ciências. Rio Grande, 2014
3 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS A COMISSÃO EXAMINADORA, ABAIXO ASSINADA, APROVA A TESE: Ambientes Físico-Virtuais de Aprendizagem ELABORADO POR: RAFAEL AUGUSTO PENNA DOS SANTOS COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS COMISSÃO EXAMINADORA: Prof(a). Dr. Silvia Silva da Costa Botelho (Orientador FURG PPGEC / C3) Profa. Dra. Danúbia Bueno Espíndola (FURG C3) Prof. Dr. Rodrigo da Silva Guerra (UFSM) Prof. Dr. João Alberto da Silva (FURG PPGEC) Prof. Dr. Alessandro de Lima Bicho (FURG C3) Rio Grande 2014
4 4 Insanidade é continuar fazendo sempre a mesma coisa e esperar resultados diferentes. (Autor desconhecido).
5 5 AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus por todas oportunidades, pelo apoio incondicional e por guiar a minha vida. Obrigado a minha orientadora Sílvia, por toda paciência e orientação dedicada. Agradeço também ao Marcos Amaral pelo apoio técnico nas implementações. Um obrigado a toda minha família, principalmente aos meus pais, pela educação dada, que foi a base para se chegar até aqui. Por fim, o obrigado especial para minha esposa Luciana, por todo amor, carinho, paciência e companheirismo que foram o suporte dessa jornada.
6 6 RESUMO O avanço tecnológico dos últimos anos ocasionou mudanças na maneira como as pessoas se relacionam. Dispositivos computacionais, sensores e atuadores se fazem presentes na vida das pessoas atualmente, de maneira que os mundos físico e virtual se misturam. Propostas de sistemas físico-cibernéticos (Cyber-Physical Systems ou CPS) surgem com o intuito de integrar os sistemas computacionais com objetos do mundo físico. Neste novo contexto, as discussões dos impactos tecnológicos nos ambientes escolares são importante, estabelecendo novas áreas de pesquisa, como ensino eletrônico, educação à distância, aprendizagem móvel e aprendizagem ubíqua. Dentro dessas áreas, os Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs), que são sistemas computacionais disponíveis na internet, destinados ao suporte de atividades mediadas pelas tecnologias de informação e comunicação, são bastante utilizados e estudados. Esses ambientes podem ser identificados por uma série de características que envolvem interação entre alunos e professores, oportunidades de socialização e concepção de informação, propostas pedagógicas, representação do espaço virtual, entre outras. No entanto, os AVAs costumam apresentar possibilidades restritas de lidar com as informações do mundo físico. Esta tese tem como foco a integração de elementos reais/físicos em AVAs, através de interfaces humano-computador avançadas. Para tanto, propõe-se a definição de Ambientes Físico- Virtuais de Aprendizagem, discutindo suas características e um modelo conceitual de referência. Por fim, a plataforma Toogle, proposta para implementação de sistemas físicocibernéticos, é aprimorada e utilizada no desenvolvimento desses novos espaços. Palavras-chave: ambientes virtuais de aprendizagem, sistemas físico-virtuais, Toogle, ambientes físicovirtuais de aprendizagem.
7 7 ABSTRACT Technological advances in recent years has brought about changes in the way people relate. Computing devices, sensors and actuators are present in the in people's lives today, in a way that the physical and virtual worlds mix. Proposals of Cyber-Physical Systems (CPS) arise in order to integrate computer systems with the physical world objects.in this new context, discussions about technological impacts on school environments are important, establishing new areas of research, such as e-learning, distance education, mobile learning and ubiquitous learning. Within these areas, the Virtual Learning Environments (VLEs), which are computer systems available on the Internet, intended to support activities mediated by information and communication technologies, are widely used and studied. These environments can be identified by a number of features that involve interaction between students and teachers, socialization opportunities, educational proposals, representation of virtual space, among others. However, VLEs often have limited possibilities to deal with the information of the physical world. This dissertation focuses on the integration of real / physical elements in VLEs, through advanced human-computer interfaces. We propose the definition of Cyber-Physical Learning Environments, discussing their characteristics and a reference conceptual model. Finally, the Toogle plataform, proposed to implement cyber-physical systems, is enhanced and used to develop these new spaces. Keywords: virtual learning environments, cyber-physical systems, Toogle, cyber-physical learning environments.
8 8 SUMÁRIO 1. Introdução O Problema Questões de pesquisa Objetivos Objetivo Geral Objetivos específicos Requisitos Organização do texto Fundamentação Teórica Sistemas Físico-Cibernéticos Interfaces Humano-Computador Avançadas Um mapa conceitual sobre Sistemas Físico-Cibernéticos Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs) Conceitos e características Modelo Conceitual para AVAs Trabalhos relacionados Eixos de análise de uma aprendizagem mediada por tecnologia Interfaces avançadas AVAs institucionais Síntese da fundamentação teórica e trabalhos relacionados Aspectos Metodológicos De Uma Aprendizagem Físico-Virtual Ambientes Físico-Virtuais de Aprendizagem (AFVA) Requisitos para AFVAs Definições e características de AFVAs Modelo conceitual para AFVAs A Plataforma Toogle Requisitos...80
9 Modelo conceitual para sistemas Físico-cibernéticos e Hiperambientes Arquitetura da plataforma Toogle como engine para implementação de AFVAs Considerações finais Testes, Resultados e Discussão Estudo de caso Estudo de caso Criando um hiperambiente com a Toogle Análise pela ótica dos AFVAs Discussão dos resultados Considerações finais Conclusões e Trabalhos Futuros Conclusões Trabalhos futuros...126
10 10 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Aprendizagem mediada por tecnologia...18 Figura 2: Diagrama de realidade/virtualidade contínua (Milgram, 1994)...25 Figura 3: Modelo conceitual para IoT, traduzido de Serbanati et al. (2011)...30 Figura 4: Elementos básicos de um CPS (Amaral, 2013)...32 Figura 5: Mapa Conceitual de CPS (Amaral, 2013 apud Lee, 2008)...33 Figura 6: Modelo Conceitual para um AVA (Dongming Xu, 2005)...43 Figura 7: Exemplo de planificador...46 Figura 8: Modelo Conceitual para um AFVA...77 Figura 9: Modelo conceitual para CPS (adaptado de Serbanati et al., 2011)...81 Figura 10: Arquitetura da Plataforma Toogle...83 Figura 11: Arquitetura Toogle - Editor...83 Figura 12: Toogle Editor...84 Figura 13: Estrutura do hiperambiente...85 Figura 14: Arquitetura Toogle Middleware e Componentes...86 Figura 15: Hiperambiente no tempo k...87 Figura 16: Arquitetura Toogle Inteligência...89 Figura 17: Pyperplan - Descrição do domínio...91 Figura 18: Pyperplan - Descrição do problema...91 Figura 19: Pyperplan - Solução do problema...92 Figura 20: Simulação física do Objeto Inteligente Carro...92 Figura 21: Arquitetura Toogle Navegador...92 Figura 22: Toogle Navegador...93 Figura 23: Universidade Federal do Rio Grande (imagem Google)...99 Figura 24: Modelo 3D do prédio do Centro de Ciências Computacionais Figura 25: Modelo 3D do prédio do Centro de Convivência Figura 26: Modelo 3D do prédio da biblioteca...100
11 11 Figura 27: Criação de componente no estudo de caso 1 - Editor Toogle Figura 28: Descrição dos componentes - Estudo de caso Figura 29: XML - Estudo de caso Figura 30: XML Estudo de Caso 1 - Estado Final Figura 31: Planejamento - Estudo de caso Figura 32: Navegador Toogle (apresentação 3D) - Estudo de caso Figura 33: Navegador Toogle (apresentação PDF) - Estudo de caso Figura 34: Arquitetura Toogle Editor - Estudo de caso Figura 35: Criação de um componente Toogle Figura 36: Descrição dos componentes - Estudo de caso Figura 37: XML - Estudo de caso Figura 38: Arquitetura Toogle Middleware e Componentes-Estudo de caso Figura 39: XML Estudo de Caso 2 - Estado Final Figura 40: Planejamento - Estudo de caso Figura 41: Arquitetura Toogle Navegador - Estudo de caso Figura 42: Navegador Toogle (apresentação 3D) - Estudo de caso Figura 43: Navegador Toogle (apresentação PDF) - Estudo de caso
12 12 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Geração de computadores e de interfaces de usuários...22 Tabela 2: Comparação entre AVAs...72
13 13 LISTA DE ABREVIATURAS FURG - Fundação Universidade Federal do Rio Grande ROS - Robotic Operating System IoT - Internet of Toogles AVA - Ambiente Virtual de Aprendizagem AFVA - Ambiente Físico-Virtual de Aprendizagem CPS - Cyber Physical Systems IHC - Interface Homem-Computador TIC - Tecnologias da Informação e Comunicação EAD - Educação à Distância RV - Realidade Virtual RM - Realidade Mista RA - Realidade Aumentada VA - Virtualidade Aumentada EEML - Extended Environments Markup Language XML - Extensible Markup Language W3C - World Wide Web Consortium SSN - Semantic Sensor Network UC - Ubiquitous Computing RFID - Radio-Frequency Identification HTML - HyperText Markup Language UML - Unified Modeling Language
14 14 Capítulo 1 INTRODUÇÃO 1.1. O Problema Analisando-se o avanço tecnológico ocorrido nas últimas décadas, pode-se perceber diversos fenômenos ocorridos. Quanto às mudanças do paradigma computacional tem-se, em um primeiro momento, por volta dos anos 50, computadores enormes, que eram acessados apenas por técnicos especializados e seus recursos eram compartilhados por vários indivíduos. Posteriormente, com o surgimento de novas tecnologias, como dos transistores e dos circuitos integrados, os computadores começaram a diminuir de tamanho. No início da década de 80 surgiram os computadores pessoais, que se tornam populares, superando rapidamente o número de usuários dos grandes computadores (WEISER E BROWN, 1996). Nesse período, cada usuário possuía seu computador, criando-se um modelo computacional de um usuário para um computador. A partir desse momento, o mundo virtual começa a fazer parte do usuário comum. Mais recentemente, com o surgimento da internet, com o desenvolvimento da infraestrutura de banda larga, com e sem fio, e com o avanço no desenvolvimento de sistemas embarcados e mais rápidos, tem-se um novo cenário, onde as tecnologias estão espalhadas pelos mais diversos locais frequentados pelas pessoas. O modo como as pessoas interagem com a tecnologia se modifica e começam a surgir novas interfaces humano-computador, que facilitam a utilização dos computadores e
15 15 possibilitam que novas aplicações sejam projetadas. Neste novo contexto, a maneira como as pessoas se comunicam e se relacionam umas com as outras e com os dispositivos computacionais introduzem um novo paradigma, o da computação ubíqua, onde muitas pessoas compartilham vários computadores. Os ambientes passam a ter diversos dispositivos computacionais que influenciam, de alguma maneira, na vida das pessoas. Redes de sensores e atuadores se espalham por diferentes locais do planeta, permitindo que a interação entre usuários e computadores atinja novos patamares. Nos últimos anos, estudos têm procurado unir dois mundos que até então existiam separadamente. Propostas de Sistemas Físico-Cibernéticos (Cyber-Physical Systems ou CPS) começam a aparecer, tentando integrar sistemas computacionais com objetos do mundo físico (LEE, 2008). Neste novo contexto, tornou-se constante a discussão dos impactos tecnológicos no ambiente escolar. Estudos envolvendo as Tecnologias da Informação e Comunicação (TICs) na educação estabelecem novas áreas de pesquisa, como ensino eletrônico (e-learning) (CLARK E RICHARD, 2011), educação à distância (PHIPPS E MERISOTIS, 1999), ambientes virtuais de aprendizagem (DILLENBOURG, 2002), aprendizagem móvel (m-learning) (KUKULSKA-HULME E TRAXLER, 2005), aprendizagem ubíqua (u-learning) (JONES E JUN H., 2004), etc. Ensino eletrônico (e-learning) é um termo amplo que, em geral, engloba outros termos associados ao uso de TICs na educação e é definido por Koohang (2005) como a oferta de educação (todas as atividades relevantes para instruir, ensinar e aprender), através de vários meios de comunicação eletrônica/digital, como a internet, intranets, televisão por satélite, vídeos, áudios, CD, DVD, etc. O avanço no ensino eletrônico produziu uma série de novos materiais didáticos que utilizam recursos multimídia no processo de ensino-aprendizagem. Nesse contexto, os objetos de aprendizagem começaram a ganhar força. Segundo Dias: objetos de aprendizagem são considerados como qualquer tipo de recurso, digital ou não, que possui o intuito de auxiliar o processo de ensino-aprendizagem, podendo ser reutilizado em diferentes contextos (DIAS et al., 2009 apud IEEE/LTSC,
16 ). Esses recursos podem compreender vídeos, imagens, animações, simulações, hipertextos, apresentações em slides, entre outros. O uso desses objetos se tornou comum com o surgimento da educação à distância (EaD) mediada por TICs, processo educacional onde professores e alunos estão separados espacial e/ou temporalmente (MORAN, 2008). Com o avanço da educação a distância, surge o conceito de comunidade virtual (RHEINGOLD, 1993), que é definida como: uma agregação cultural formada pelo encontro sistemático de um grupo de pessoas no ciberespaço. Este tipo de comunidade é caracterizada pela co-atuação de seus participantes, os quais compartilham valores, interesses, metas e posturas de apoio mútuo, através de interações no universo on-line. (MUSSOI et al., 2007) A partir do conceito de comunidades virtuais de aprendizagem, surgem os primeiros ambientes virtuais de aprendizagem (AVA). Dillenbourg identifica AVAs por uma série de características, tais como ser um espaço social e para conceber informação, ser um local onde os alunos co-constroem o espaço virtual, ser um espaço explicitamente representado e que não se restringe à educação a distância, mas também com atividades de sala de aula, ser um espaço que integra tecnologias heterogêneas, com múltiplas propostas pedagógicas e que acontece simultaneamente aos ambientes físicos (DILLENBOURG, 2002). Esses ambientes costumam oferecer uma série de objetos de aprendizagem, além de apresentarem também ferramentas para comunicação entre estudantes e professores. Pode-se conceituar um ambiente virtual de aprendizagem como um ambiente virtual web composto por ferramentas administrativas e de ensino, que auxilia a
17 17 aprendizagem. Essa definição está relacionada, por exemplo, aos diversos AVAs que são utilizados nas universidades, dando suporte a educação a distância. No entanto, é importante perceber que os conceitos relacionados a AVAs e e-learning podem ser bastante similares em determinadas visões. O termo aprendizagem mediada por tecnologia, que inclui AVAs, é definido como qualquer sistema tecnológico que apoia diretamente a aprendizagem e o ensino (BROWNE, 2008). Nesse sentido, a presente tese de doutorado encontra-se fundamentada em um grande eixo temático: aprendizagem mediada por tecnologia. Este eixo temático possui como alicerces a educação e a computação, que serão explorados ao longo desta pesquisa através dos ambientes virtuais de aprendizagem e das interfaces humanocomputador utilizadas em ambientes físico-cibernéticos. Esta introdução apresenta brevemente os temas de modo a facilitar a elaboração das questões de pesquisa, para que, posteriormente, possam ser discutidos com maior profundidade na fundamentação teórica. Os eixos temáticos deste trabalho podem ser vistos na Figura 1, onde a aprendizagem mediada por tecnologia engloba diversas outras áreas de estudo, cujo os conceitos são semelhantes e/ou se sobrepõem. Nesta tese, um estudo sobre ambientes virtuais de aprendizagem será apresentado, sendo o termo entendido ora de forma mais restrita (AVAs institucionais), ora de maneira mais geral (como uma aprendizagem mediada por tecnologia). Após as discussões acerca da aprendizagem mediada por tecnologia, este trabalho apresentará a plataforma Toogle, desenvolvida para implementação de sistemas físico-cibernéticos (AMARAL, 2013) e aprimorada nesta tese. A plataforma foi construída para permitir a criação e edição de ambientes que integrem os mundos físico e virtual, e também para propiciar a navegação do usuário por esses ambientes. Baseado neste contexto, é proposta uma reflexão: como pode-se, através dos AVAs, implementar ambientes em que elementos dos mundos físico e virtual contribuam para o aprendizado?
18 18 Figura 1: Aprendizagem mediada por tecnologia São justamente as questões relacionadas a integração dos ambientes físicos com os ambientes virtuais de aprendizagem que passam a ser o foco deste trabalho, através da proposta de um Ambiente Físico-Virtual de Aprendizagem (AFVA), termo cunhado nesta tese. Acredita-se que o avanço tecnológico das últimas décadas tenha possibilitado a criação de interfaces humano-computador avançadas capazes de propiciar tal integração Questões de pesquisa As questões de pesquisa desta tese giram em torno de duas áreas do conhecimento, a computação e a educação, tendo como principal eixo temático a aprendizagem mediada por tecnologia. Com base em apontamentos percebidos nos
19 19 estudos descritos na fundamentação teórica, foram formuladas as seguintes questões de pesquisa: Ambientes Virtuais de Aprendizagem (ou Aprendizagens Mediadas por Tecnologia) permitem a utilização de objetos físicos dos ambientes do mundo real? Como incorporar interfaces humano-computador avançadas nos ambientes de aprendizagem? Como desenvolver Ambientes Físico-Virtuais de Aprendizagem, integrando elementos físicos e virtuais dos ambientes, através de uma plataforma construída para lidar com sistemas físico-cibernéticos? 1.3. Objetivos Objetivo Geral Caracterizar um Ambiente Físico-Virtual de Aprendizagem e propor um modelo conceitual para seu desenvolvimento, identificando os principais elementos constituintes, bem como suas interconexões e possibilidades de implementação Objetivos específicos Realizar um estudo bibliográfico envolvendo as áreas de Ambientes Virtuais de Aprendizagem e Interfaces Humano-Computador, tendo como foco a aprendizagem mediada por tecnologia; Definir as características e os requisitos de um AFVA; Propor um modelo conceitual para um AFVA, envolvendo a definição dos elementos e suas relações; Integrar interfaces humano-computador avançadas aos AFVAs, a fim de prover maior interação;
20 20 Desenvolver AFVAs se utilizando da plataforma Toogle Requisitos Este trabalho apresenta alguns requisitos, descritos a seguir e que, posteriormente, pretende-se verificar: Um AFVA possui características semelhantes às de um AVA; Um AFVA possui pelo menos uma característica diferente de um AVA; Um modelo conceitual para um AVA pode ser utilizado para um AFVA, desde que adaptado; A plataforma Toogle pode implementar AFVAs Organização do texto O Capítulo 1 desta tese apresentou uma introdução do trabalho, definindo o problema a ser abordado, as questões de pesquisa, os objetivos e os requisitos consideradas. Já o Capítulo 2 passa a discutir conceitos importantes para a fundamentação teórica e analisa os trabalhos relacionados. Após as discussões acerca da fundamentação teórica e a apresentação dos trabalhos relacionados, este texto apresenta, no Capítulo 3, a proposta de um Ambiente Físico-Virtual de Aprendizagem (AFVA). A plataforma Toogle, que foi desenvolvida para implementação de sistemas físico-cibernéticos, bem como sua utilização para o desenvolvimento de AFVAs, também são apresentados no Capítulo 3. No Capítulo 4, são demonstrados e discutidos dois estudos de caso para validação, tanto na plataforma Toogle, quanto nos AFVAs. Por fim, o Capítulo 5 apresenta as conclusões e os trabalhos futuros.
21 21 Capítulo 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nessa seção será apresentada uma fundamentação teórica quanto às duas principais temáticas envolvidas neste trabalho: os Sistemas Físico-Cibernéticos e os Ambientes Virtuais de Aprendizagem Sistemas Físico-Cibernéticos Em um primeiro momento, procura-se apresentar nesta seção, uma discussão sobre as Interfaces Humano-Computador (IHC), que são dispositivos ou sistemas que buscam implementar a interação entre os seres humanos e o computador, e dentre as quais, os Sistemas Físico-Cibernéticos se destacam. A partir de tais discussões, um mapa conceitual será abordado a fim de analisar os CPSs quanto as suas definições, requisitos e aplicações. Posteriormente, serão apresentados trabalhos relacionados as diferentes IHCs em contextos de aprendizagem Interfaces Humano-Computador Avançadas Como primeira definição de interface, podemos entendê-la como sendo: uma superfície de contato que reflete as propriedades físicas das partes que interagem, as funções a serem executadas e o
22 balanço entre poder e controle (LAUREL E MOUNTFORD, 1990). 22 A maçaneta, por exemplo, é a interface entre o ser humano e a porta. Enquanto que o câmbio ou a direção são interfaces entre o homem e o automóvel. Com o passar dos tempos, as interfaces foram aprimoradas e o próprio conceito de interface evoluiu. No exemplo da porta, antigamente as maçanetas eram rústicas e hoje, muitas vezes, elas nem existem, bastando a pessoa se aproximar para que a porta seja aberta. É comum associar Interfaces Humano-Computador (IHC) às janelas, aos ícones, aos menus, às linhas de comando e aos cursores piscando. No entanto, o termo envolve questões bem mais complexas (ROCHA E BARANAUSKAS, 2003). Rocha e Baranauskas (2003) apresentam uma tabela, adaptada de Nielsen (1993), com um histórico, analisando a geração de interfaces e traçando um paralelo com os componentes de hardware que as suportam, qualificando a categoria de usuários de computadores em cada geração (Tabela 1). Tabela 1: Geração de computadores e de interfaces de usuários (ROCHA E BARANAUSKAS, 2003, adaptado de NIELSEN,1993, P.50) Geração Tecnologia de Hardware Modo de Operação Linguagens de Programação Tecnologia Terminal Tipo de Usuários Imagem Comercial Paradigma de Interface de Usuário pré- histórica Mecânica e eletromecânica Uso somente para cálculos Movimento de cabos e chaves Leitura de luzes que piscam e cartões perfurados Os próprios inventores Nenhuma (computadores não saíram dos laboratórios) Nenhum pioneira Válvulas, máquinas enormes e com alta ocorrência de falha Um usuário a cada tempo usa a máquina (por um tempo bastante limitado) Linguagem de máquina TTY. Usados apenas nos centros de computação Especialistas e pioneiros Computador como uma máquina para cálculos Programação, batch histórica Transistores, mais confiáveis. Computadores começam a ser usados fora de laboratórios Batch (computador central não acessado diretamente) Linguagem Assembler ADD A B Terminais de linha glass TTY Tecnocratas, profissionais da computação Computador como um processador de informação Linguagens de comando
23 tradicional Circuito integrado. Relação custobenefício justifica a compra de computadores para muitas necessidades Timesharing Linguagens de alto-nível (Fortran, Pascal, C) Terminais full screen, caracteres alfanuméricos. Acesso remoto bastante comum Grupos especializados sem conhecimento computacional (caixas automáticos, p.ex) Mecanização das atividades repetitivas e não criativas Menus hierárquicos e preenchimento de formulários moderna VLSI. Pessoas podem comprar seu computador Computador pessoal para um único usuário Linguagens orientadas a problemas/ objetos (planilhas de cálculo) Displays gráficos. Estações de trabalho, portáveis Profissionais de todo tipo e curiosos Computador como uma ferramenta WIMP (Window, Icons, Menus e Point devices) futura Integração de alta escala. Pessoas podem comprar diversos computadores Usuários conectados em rede e sistemas embutidos Não imperativas, provavelment e gráficas Dynabook, E/S multimídia, portabilidade, simples, medem celular Todas as pessoas Computador como um aparelho eletrônico Interfaces não baseada em comando Por esta tabela, pode-se constatar que o perfil de usuário dos computadores (e consequentemente de outros dispositivos tecnológicos) se modificou ao longo dos anos. No princípio, apenas os próprios inventores o utilizavam e, a medida que a tecnologia evoluiu, mais pessoas passaram a utilizar, chegando aos dias atuais, onde quase todas pessoas usufruem de alguma maneira dos dispositivos computacionais. Para que esse acesso aos computadores se tornasse global, os dispositivos precisaram ser projetados de maneira eficiente, visando as necessidades e capacidades das pessoas comuns. Dessa forma, as interfaces humano-computador têm tido papel fundamental na ampla aceitação dos computadores. Empresas produtoras de software têm despertado para idéia de que a melhora no aspecto físico da interface do usuário proporciona maiores chances de sucesso de mercado. Para explorar essa nova dimensão do produto surgiu um termo amplamente usado - interface amigável ou sistema amigável (user-friendly). Na prática, o significado do amigável está associado somente a uma interface, ou melhor, aos elementos
24 24 na tela serem esteticamente mais agradáveis ou bonitos. Muito embora tenha implicado num avanço com relação às antigas interfaces, muitas empresas usaram o termo simplesmente como um atrativo de mercado. A maioria dos sistemas continua não atendendo às necessidades de seus usuários que tem que lidar com interfaces que mais parecem inimigas. E um outro aspecto, é o de quão pouco adequado é esse termo: primeiro, é desnecessariamente antropomórfico, usuários não precisam de máquinas para serem amigas, eles precisam de máquinas que lhes facilitem na execução de suas tarefas; segundo, significa que as necessidades dos usuários podem ser descritas em apenas uma dimensão, mais ou menos amigável - diferentes usuários têm diferentes necessidades e o que é amigável para um pode ser muito tedioso para outro (ROCHA E BARANAUSKAS, 2003). Com o passar dos anos, outros aspectos que envolvem a interação humanocomputador começaram a ser discutidos. As características das pessoas ao interagir com sistemas computacionais, como os processos psicológicos envolvidos, passaram a ser observadas. O termo Interação Humano-Computador (IHC) surge em meados dos anos 1980 na tentativa de descrever esse novo campo de estudo, que procura abranger todos os aspectos relacionados com a interação entre usuários e computadores (ROCHA E BARANAUSKAS, 2003). Sendo assim, pode-se ter como definição: IHC é a disciplina preocupada com o design, avaliação e implementação de sistemas computacionais interativos para uso humano e com o estudo dos principais fenômenos ao redor deles (ROCHA E BARANAUSKAS, 2003).
25 25 A partir desse momento, começaram a surgir diversas outras áreas relacionadas, chegando as atuais Interfaces Humano-Computador Avançadas. A seguir, apresenta-se algumas das principais IHCs avançadas Realidade aumentada A realidade aumentada se constitui como área de pesquisa, surgida a partir de outras áreas que tiveram início em meados dos anos 60, como a realidade virtual e a mista, cujos conceitos são muito semelhantes e se tornaram as principais ferramentas de visualização de sistemas (KIRNER E TORI, 2004). A Figura 2 representa alguns conceitos definidos por Milgram (1994) com relação ao tema. Figura 2: Diagrama de realidade/virtualidade contínua (Milgram, 1994). Segundo Kirner e Tori (2004), a Realidade Virtual (Virtual Reality) é uma interface avançada para aplicações computacionais. Nesta, é permitido ao usuário navegar e interagir em tempo real (através de dispositivos multissensoriais), a partir de um ambiente tridimensional computacional. Já a Realidade Mista (Mixed Reality), uma subárea da Realidade Virtual, é caracterizada pela sobreposição de elementos virtuais, gerados por computador, em um ambiente físico e em tempo real. A realidade mista pode ser dividida ainda em duas áreas: realidade aumentada (RA) e virtualidade aumentada (VA) (KIRNER e TORI, 2004).
26 26 A virtualidade aumentada apresenta predominantemente o mundo virtual, onde elementos reais são inseridos e a interface permite ao usuário interagir com o ambiente virtual (KIRNER e TORI, 2004). A realidade aumentada (RA), por sua vez, apresenta predominantemente o mundo real, onde os objetos virtuais inseridos são manipulados (KIRNER e TORI, 2004). Por exemplo, uma determinada cena que ocorre pode ser filmada e apresentada em uma tela (mundo real), enquanto que um objeto pré-definido (um marcador), ao ser reconhecido, é substituído por um elemento virtual. Diversas são as aplicações que utilizam Realidade Aumentada para potencializar/ampliar a percepção do usuário e sua interação com o mundo real, destacando-se as listadas a seguir: Medicina: a realidade aumentada pode ser utilizada na visualização e no auxílio de cirurgias (HANSEN et al., 2010; VOLONTÉ et al., 2011). Dados 3D de um paciente podem ser coletados em tempo real, através de sensores não-invasivos como a ressonância magnética, tomografia computadorizada ou ultra-sonografia, após processados e combinados em tempo real, com uma visualização real do paciente. Manufatura: tutoriais e manuais técnicos podem ser apresentados como objetos 3D sobrepostos a equipamentos reais, mostrando passo-a-passo as tarefas que precisam ser feitas e como fazê-las. Alguns trabalhos que utilizam realidade aumentada para manutenção de máquinas são apresentados por Nee et al. (2012). Anotação e Visualização: RA pode ser usada para visualizar ou criar anotações em objetos em ambientes de forma pública ou privada. Por exemplo, um tablet poderia fornecer informações sobre o conteúdo de prateleiras da biblioteca para usuários que caminham ao seu redor (CHEN et al., 2011). Tele-Robótica: a operação remota de um robô envolve diversas dificuldades, como, por exemplo, quanto à comunicação quando este está longe. Nestes casos, ao invés de controlar o robô diretamente, pode ser possível o controle de uma versão virtual do robô, para depois então o robô real executar o plano especificado, como no trabalho apresentado por Chong et al. (2009).
27 27 Entretenimento: são comuns trabalhos que utilizam cenários virtuais que se fundem com atores reais, em tempo real e em 3D. Os atores ficam na frente de uma grande tela azul ou verde (chroma key), enquanto uma câmera controlada por computador registra a cena. Após, é possível digitalmente compor uma cena onde o ator parece estar presente no fundo virtual 3D, como no trabalho de Haley-Hermiz et al. (2012). Tarefas Colaborativas: a Realidade Aumentada também pode ser usada em situações que exijam tarefas colaborativas (MORRISON et al. 2011; POPPE et al. 2011). Saúde: diversos trabalhos atuais utilizam da RA em aplicações médicas, envolvendo a saúde de pacientes. Nicolau et al. (2011), fazem uma revisão dos sistemas de RA existentes para cirurgia oncológica digestiva, destacando seus benefícios, limitações e questões que ainda precisam ser enfrentadas para que esta tecnologia integre as salas de cirurgia. Educação: pesquisas e desenvolvimento na área de RA amadureceram de tal forma que hoje podem ser aplicadas a uma gama muito grande de domínios, e a educação é uma área em que esta tecnologia também pode ser utilizada (BILLINGHURST E DÜNSER, 2012). A experiência educacional oferecida pela realidade aumentada se difere por uma série de razões: suporte a interação contínua entre ambientes reais e virtuais; uso de metáforas com interfaces tangíveis para a manipulação de objetos; a capacidade de transição suave entre a realidade e a virtualidade Redes de sensores Os recentes avanços na eletrônica e nas comunicações sem fio têm possibilitado o desenvolvimento de sensores de baixo custo e baixo consumo, que são pequenos em tamanho e que se comunicam em curtas distâncias. Esses sensores de reduzidas dimensões são capazes de sensorear ambientes, processar dados e de se comunicar (AKYILDIZ et al., 2002). Uma rede de sensores é composta por uma grande quantidade desses dispositivos com capacidade de percepção, onde cada elemento é chamado de nó.
28 28 Muitas vezes, a posição dos nós não precisa ser conhecida ou predeterminada. Nestes casos, permite-se que a implantação do nó possa ser feita em qualquer momento e em qualquer lugar. No entanto, os protocolos de rede de sensores e algoritmos devem possuir capacidades de auto-organização (AKYILDIZ et al., 2002). Uma vez que diversos sensores podem estar espalhados, percebendo o ambiente, surgem novas interfaces humano-computador. Nesse caso, o indivíduo passa a ter uma interação mais suave com a máquina, muitas vezes nem a percebendo. Diversas propostas de normatização têm surgido a fim de lidar com as informações advindas das redes de sensores. Alguns dos principais protocolos são descritos a seguir. Extended Environments Markup Language (EEML): É um protocolo desenvolvido pela Haque Design Research Ltd, que tem por objetivo compartilhar dados de ambientes remotos em tempo real. Utiliza XML e é compatível com o formato estabelecido pela indústria da construção civil, Industry Foundation Classes (CLASSES, 2013). Sensor Grid: Um sensor grid procura implementar redes de sensores em uma infra-estrutura de larga escala (grid computing), integrando sensores heterogêneos, dados e recursos computacionais, com o intuito de realizar, por exemplo, tarefas complexas de vigilância (monitoramento ambiental) (LIM et al., 2005). SensorML: fornece modelos padrões e codificação XML para descrever sensores e processos de medição, podendo ser usado para descrever uma grande quantidade de sensores (BOTTS e ROBIN, 2007). Semantic Sensor Network (SSN): é uma ontologia, codificada na Web Ontology Language (OWL), que permite a representação de sensores, das observações dos sensores e do conhecimento do meio ambiente, e está tendo grande aderência pela comunidade de desenvolvimento de sensores em larga escala (COMPTON et al., 2012).
29 29 Algumas das áreas de aplicação dessas redes são saúde (ALEMDAR et al., 2010), fins militares (LEE et al., 2009), casas inteligentes (TABAR et al., 2006) e educação (ROSALES et al., 2009) Computação ubíqua Computação ubíqua é um novo paradigma computacional que surge, onde muitas pessoas compartilham vários computadores, ou dispositivos computacionais. Nesse contexto, os computadores poderiam agir de forma inteligente em nosso meio, que é composto por diversos sensores e serviços computacionais. Cabe salientar que esta característica da computação ubíqua está ainda bastante incipiente, uma vez que, embora tenhamos diversos dispositivos computacionais espalhados pelos ambientes, a inteligência provida por esses sistemas ainda é pouco percebida. A computação pervasiva, usada por alguns autores como sinônimo de computação ubíqua, define que os meios de computação estarão distribuídos no ambiente de trabalho dos usuários de forma inteligente, altamente integrada, podendo ser perceptíveis ou imperceptíveis ao mesmo (MIAO e YUAN, 2005; REDDY, 2006; DHINGRA e ARORA, 2008; SANCHO et al., 2010). Uma das características da ubiquidade, segundo Weiser e Brown (1996), é a tecnologia calma, que permite que os usuários e os dispositivos tecnológicos interajam de forma tranquila e fácil, muitas vezes sem nem mesmo a percepção do próprio usuário. De acordo com Fonseca (2007), a computação ubíqua tem por objetivo mover os computadores do ponto de convergência da atenção dos seres humanos para um mundo invisível, ou ubíquo. Eles são usados subconscientemente, para aumentar a eficiência das ferramentas e meio de comunicação existentes. Com o surgimento deste novo paradigma, novas áreas de estudo começam a aparecer. Com relação à inteligência provida por esses dispositivos espalhados pelos
30 30 diversos locais, tem-se atualmente a área de ambientes inteligentes, ou ambientes cientes de contexto, do inglês context-aware environments (SCHILIT et al., 1994). Nos últimos anos, muitos trabalhos têm buscado explorar a computação ubíqua de diferentes maneiras. O trabalho de Friedewald e Raabe (2011) apresenta um estado da arte sobre a computação ubíqua e a Internet das coisas. Os autores destacam os campos de aplicação, os desafios técnicos, jurídicos e sociais a serem resolvidos com a implantação da nova tecnologia Internet das Coisas Com o intuito de integrar os diferentes objetos pertencentes aos novos cenários ubíquos, onde a tecnologia está espalhada por todos lugares, surge a área denominada Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT) (ZOUGANELI e SVINNSET, 2009; HUANG e LI, 2010). Nesses estudos, coisas são objetos reais embarcados com algum tipo de computação e que possam ser acessados através de um endereço único (ATZORI e MORABITO, 2010). Algumas propostas que surgem para Internet das Coisas são: EPCglobal (HUANG e LI, 2010), IPSO (DUNKELS e VASSEUR, 2008) e UID architecture (UBIQUITOUS, 2011). Figura 3: Modelo conceitual para IoT, traduzido de Serbanati et al. (2011)
31 31 A Figura 3 apresenta um modelo conceitual usado para descrever sistemas relacionados à Internet das Coisas (SERBANATI et al., 2011). Nesse modelo, Usuários são pessoas ou software que possuem algum objetivo e interagem com os elementos (físicos e virtuais) presentes. Já as Entidades Digitais são software (agentes autônomos ou serviços disponibilizados) que podem interagir com Usuários (humanos ou outras entidades digitais) para cumprir um objetivo. Por outro lado, Entidades Físicas representam objetos de um ambiente físico, como seres humanos, mesas, cadeiras, animais, etc. Ainda no modelo tem-se a entidade Localizador Digital, que representa a relação de endereço dos elementos existentes, pelos quais eles podem ser acessados. Já a entidade Objetos Inteligentes pode ser entendida como uma extensão de uma Entidade Física, que possui um Localizador Digital associado. Ainda nesse contexto, Dispositivos são componentes responsáveis por monitorar ou atuar no ambiente, gerando informações às Entidades Físicas. Por fim, a entidade Recurso é responsável pela maneira pela qual Usuários interagem com entidades físicas (através dos Objetos Inteligentes) e digitais, possibilitando a recuperação e modificação de propriedades físicas e digitais Um mapa conceitual sobre Sistemas Físico-Cibernéticos Dentre as novas Interfaces Humano-Computador que têm surgido nos últimos tempos, destacam-se os Sistemas Físico-Cibernéticos (Cyber-Physical Systems ou CPS), que são integrações de sistemas computacionais com processos físicos (LEE, 2008). Para Lee, em CPS: computadores embarcados e redes monitoram e controlam os processos físicos, periodicamente, onde estes afetam a computação e vice-versa. No mundo físico, a passagem do tempo é inexorável e a simultaneidade é intrínseca. Nenhuma dessas propriedades está presente hoje na computação ou em abstrações de rede.(lee, 2008)
32 32 Um CPS agrega recursos de computação, comunicação e armazenamento para monitorar e controlar entidades do mundo físico, de forma confiável, segura, eficiente e em tempo real (SHA, 2008). No mundo físico, uma propriedade central de um sistema é a sua dinâmica, a evolução do seu estado ao longo do tempo. Já no mundo virtual, a dinâmica é reduzida para sequências de mudanças de estado, onde a semântica temporal muitas vezes é perdida. Busca-se com CPS permitir esta integração através do estudo da dinâmica conjunta de processos físicos, softwares e redes. A Figura 4 apresenta os elementos básicos que compõe um CPS. Figura 4: Elementos básicos de um CPS (Amaral, 2013). Espaço real: possui objetos do ambiente físico, como carros, pessoas, casas, etc.
33 33 Domínio dos objetos: constitui-se de sensores / atuadores (ou dispositivos dotados de sensores / atuadores) conectados em rede. Espaço cibernético/virtual: é formado quando o domínio dos objetos disponibiliza o sensoriamento físico e também para prover (disparar) atuação no domínio dos objetos. A Figura 5 apresenta um mapa conceitual sobre CPS. seguir. Figura 5: Mapa Conceitual de CPS (Amaral, 2013 apud Lee, 2008) Este mapa, divide as abordagens sobre CPS em três aspectos, apresentados a