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ENCINE - Ensino de Ciências e Inclusão Escolar
Artigos e Publicações - 2010
 

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MINDWARE SEMIÓTICO-COMUNICATIVO:    APLICAÇÃO DO SOFTWARE OPEN-VIBE NUMA INTERFACE CÉREBRO-COMPUTADOR NO ENSINO DE FÍSICA PARA DEFICIENTES VISUAIS
VIVEIROS, ER de, CAMARGO, EP de
Programa de Pós Graduação em Educação para a Ciência da Faculdade de Ciências da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho/UNESP de Bauru
Endereço: Av. Engº Luiz Edmundo Carrijo Coube, nº 14-01
Bairro: Vargem Limpa – Bauru – SP
CEP: 17033-360

Referência: Anais da X Jornada de Educação Especial: Educação Especial e o uso das tecnologias da informação e comunicações em práticas pedagógicas inclusivas.. Marilia : Oficina Universitária, 2010. v. 1. p. 1-8. 

Resumo: Apresentamos resultados parciais de uma pesquisa de doutorado, na fase exploratória, envolvendo uma aplicação didática no Ensino de Física para deficientes visuais. Os resultados iniciais obtidos da investigação bibliográfica documental trouxe até este momento dados para uma parametrização experimental que faremos nesta pesquisa, que incluirá o uso de um software para uma interface cérebro-computador denominado OpenViBE, desenvolvida na França. Sugerimos um delineamento experimental inédito de operação do software através da estimulação cross-modal (intermodal) em dois modus operandi complementares: realidade virtual e neurofeedback. Simultaneamente ao uso da interface será aplicada uma rotina cognitiva para trabalhar conceitos e o formalismo matemático no Ensino de Física para deficientes visuais. O conjunto desta aplicação está sendo definido por nós com o nome de “Mindware Semiótico-Comunicativo”. No escopo geral do projeto, espera-se a otimização na performance das funções de cognição emocional, atenção, memória e raciocínio disjuntivo dos sujeitos investigados. O referencial teórico é a teoria da ação comunicativa de Jürgen Habermas. A coleta de dados empregará registros gráficos realizados pelos sujeitos, e entrevista do tipo think aloud method. A análise dos dados utilizará a teoria semiótica de Charles Sanders Peirce e o enfoque psicanalítico de Jacques Lacan.
Palavras-chave: Ensino de Física para deficientes visuais, interface cérebro-computador, tecnologias assistivas
Introdução
Apresentamos resultados preliminares para a definição de condições iniciais de contorno para o delineamento prático-experimental de um sistema que denominamos Mindware Semiótico-Comunicativo, que consta de duas componentes, uma de natureza didático-pedagógica e outra de natureza tecnológica, através da aplicação do software OpenViBE para ser utilizado numa interface cérebro-computador.
O objetivo é fazer com que tal sistema otimize o processo de ensino-aprendizagem em indivíduos cegos de nascimento, ao se lidar com situações envolvendo conceitos e o formalismo matemático para o Ensino de Física. As funções cognitivas a serem otimizadas são: cognição emocional, atenção, memória e raciocínio disjuntivo.
Alguns conceitos da Neurociência foram e estão sendo transpostos para a situação educacional: plasticidade cerebral, plasticidade intermodal, imageria mental (representações mentais imagéticas), neurofeedback, neurônios espelhos e neurônios da leitura (Dehaene, 2007).
Metodologia
A metodologia utilizada nesta fase do projeto é a pesquisa qualitativa exploratória.  Procedemos a análise bibliográfica em três momentos: leitura seletiva, analítica e interpretativa, sendo que esta última é o conteúdo apresentado neste trabalho.
Fundamentada na Neurociência, a análise interpretativa buscou elementos significativos para a composição de um futuro corpus de pesquisa cujo foco é a aplicação no Ensino de Física.
Discussão
O propósito de compreender , reproduzir ou simular o cérebro humano não é recente. Norbert Wiener, em 1950 publicaria (publicaram ou publicariam)Cibernética e Sociedade: o uso humano de seres humanos descrevendo em equações o pensamento humano (Wiener, 1984).
A atividade cerebral é adquirida, registrada e armazenada graças aos potenciais de corrente elétrica distribuídos pela superfície do escalpo. Eletrodos são posicionados estrategicamente e são medidas as voltagens e correntes, filtradas e amplificadas, podendo ser emuladas e interpretadas através de um software (Ochoa, 2002).
Uma nova abordagem tecnológica integra diretamente o cérebro humano a interfaces através de softwares, chamadas de Interface Cérebro-Computador (Brain-Computer Interface), que emula, analisa e controla os sinais neurais, permitindo sua conexão com computadores ou outros equipamentos. Possui múltiplos usos:

  • Aplicações de bioengenharia: dispositivos de auxílio para pessoas deficientes;
  •  Monitoramento humano: estudar desordens do sono, enfermidades neurológicas, atenção;
  • Monitorar e ou analisar “estados mentais”;
  • Pesquisa em neurociência: métodos em tempo real para correlacionar comportamentos observáveis através do registro de sinais neurais;
  • Interação homem-máquina: dispositivos de interface entre homens e computadores, inclusive para deficientes visuais (Carvalho, 1994).

Diversos países têm empreendido grande esforço na pesquisa e desenvolvimento tecnológico de tais interfaces. Um dos projetos mais interessantes foi desenvolvido por três instituições francesas (Institut National de Recherche em Informatique et en Automatique (INRIA), Institut National de la Santé et la Recherche Médicale e France Telecom R&D, resultando na plataforma para interface cérebro-computador  denominada OpenViBE(Lotte et al, 2009; Lotte, Lécuyer e Arnaldi, 2007, 2008 e 2009; Lécuyer et al, 2008).
Para processos de produção de imagens mentais, com o objetivo de formar imagens visuais, pesquisas abordando a estimulação das áreas do córtex visual mostram a possibilidade de eficácia maior ao utilizar uma interface cérebro-computador para os mesmos objetivos. Há também a possibilidade do uso de técnicas de ressonância magnética funcional para converter diretamente estes sinais em imagens visuais (Kay et al 2008).
Em aplicações de substituição sensorial (olho eletrônico, ou utilizando a língua e até o ouvido), a formação de imagens visuais ainda não é totalmente eficiente, em virtude da pequena inadaptabilidade do aparelho cerebral na interpretação dos estímulos visuais provenientes da prótese. Neste caso abre-se a possibilidade da interface cérebro-computador atuar como um agente de aprendizagem e estimulação sensorial-perceptiva, como aqui descrito (Dobelle et al, 1979).
Antes de passarmos para as considerações técnicas sobre a plataforma OpenViBE, elucidaremos algumas proposições com base na Neurociência aplicada a deficiência visual, relacionando-as com o Ensino de Física, principal objeto de estudo deste trabalho:

  • O domínio conceitual e simbólico da Física (e da Matemática) constitui uma linguagem específica, projetando-se em regiões e neurônios específicos no cérebro, e tal mecanismo cognitivo é parte do processo de aquisição e domínio da leitura (Dehaene, et al 1999). Para isto adotaremos o modelo chamado “detector de combinações locais”, proposto por Stanislas Dehane e equipe para a compreensão do mecanismo de aprendizagem da leitura (Qiao, 2007; Dehaene, Cohen et al. 2005).  
  • A exercitação das representações mentais simbólicas da Física num ambiente de ensino-aprendizagem do tipo intermodal pode estimular os neurônios espelhos das regiões associadas com as áreas da cognição emocional, atenção, memória e raciocínio lógico (Muthukumaraswamy e Singh, 2008). Assim como em atividades de natureza cognitiva motora, existem indícios de que o treinamento do tipo neurofeedback estimule a ocorrência de neurônios espelhos associados a regiões das áreas visuais. Um estudo com a atividade neuronal da área do raciocínio lógico matemático demonstrou uma covariância com a área cognitiva motora (Knops et al, 2009).
  • A otimização dos resultados em aplicações de neurofeedback poderia ser estendida para situações didáticas envolvendo a aprendizagem de conceitos, com o objetivo de minimizar a dissonância cognitiva, ou seu equivalente, os obstáculos epistemológicos envolvidos na mudança conceitual (Rea-Ramirez e Clement, 1998).

Resultados
Fiabilidade da plataforma OpenViBE
Descrevemos a seguir considerações técnicas que tornam esta plataforma adequada aos propósitos mencionados.

  • Trabalha com a técnica não invasiva (Nicolelis, 2002, 2003; Nicolelis e Chapin, 2002).
  • É uma plataforma livre (open-source).
  • Utiliza o eletroencefalógrafo como interface: baixo custo do equipamento, facilidade de uso e vasto conhecimento protocolar sobre tal técnica. O uso do eletroencefalograma (EEG), neste caso, é mais recomendável (Covolan et al 2004). Opera com potenciais elétricos evocados P300, que determina a distribuição espacial dos eletrodos no escalpo humano em pontos de otimização dos potenciais elétricos respectivos às regiões estudadas.
  • Opera no modo de realidade virtual: o software permite a interação e manipulação direta por intermédio da atividade elétrica cerebral com imagens (mentais ou visuais) num cenário de realidade virtual. Diferentemente de outros, o software OpenViBE foi projetado considerando fortemente a aplicação em realidade virtual, principalmente para a área lúdica, o que demonstra sua inocuidade;
  • Operação no modo neurofeedback: serão necessários ajustes no software em função da neuroplasticidade específica de cada indivíduo a ser estudado. Os potenciais elétricos serão medidos em função desta singularidade.

Definição de Parâmetros Operacionais
Delineamos abaixo parâmetros que podem ser estabelecidos para o propósito de ajuste funcional do software OpenViBE para operar no modo neurofeedback e realidade virtual:

  1. Utilizar parte da programação baseando-se em algoritmos genéticos, operando nas condições de neuroplasticidade intermodal do deficiente visual em relação às áreas cerebrais ativas no processo compensatório. Esta adaptação sugerida por nós leva em consideração características dos algoritmos genéticos que se assemelham às condições experimentais teóricas baseadas em redes neurais. Algumas delas são: função-objetivo, convergência genética, perda da diversidade, cross-over, recombinação e mutação (Linden, 2006).
  2. Ajustar parâmetros relacionados com frequência, intensidade e seqüenciamento do controle dos sinais elétricos, tendo em vista a normatização para a aplicação no modo neurofeedback (20 a 40 seções de 30 minutos, com espaçamento de 2 a 3 dias, conforme descrito por Arrouet et al 2005).
  3. Adaptar o software OpenViBE para a construção em realidade virtual de grafos (não seria gráficos?)ou tabelas com os símbolos e equações físico-matemáticas que serão trabalhadas no módulo didático. Há a possibilidade da integração com outros dispositivos e interfaces ao sistema aqui considerado como, por exemplo, interfaces do tipo auditivas e táteis (simultânea ou respectivamente), conforme sugere Lecuyer et al 2008. Isto poderia ampliar ainda mais as condições comunicativas para o deficiente visual.

Conclusões:
Existe ainda um longo caminho a ser percorrido para o delineamento definitivo dos parâmetros técnicos para os propósitos aqui apresentados. No entanto, até o presente momento identificamos e obtivemos alguns resultados quantitativos e qualitativos que certamente nos conduzirão para este objetivo. A utilização de interfaces cérebro- computador para situações envolvendo o Ensino de Física é ainda pouco considerada, quer se tratando de videntes, quer para deficientes visuais. As considerações que desenvolvemos aqui por certo deverão ser aperfeiçoadas a medida que o próprio autor se apropriar de maiores detalhamento sobre o funcionamento do software OpenViBE, fato que deverá ocorrer conforme cronograma previsto de atividades, inclusive com a parceria da equipe francesa desenvolvedora da plataforma.
Referências bibliográficas
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