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ENCINE - Ensino de Ciências e Inclusão Escolar
Artigos e Publicações - 2011
 

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A Biônica no Ensino de Física: uma tecnologia assistiva utilizando uma interface cérebro-computador para controlar uma unidade robótica
The Bionic in Physics Teaching: an assistive technology using a brain-computer interface to control a robotic unit
VIVEIROS, E.R., CAMARGO, E.P. A Biônica no Ensino de Física: uma tecnologia assistiva utilizando uma interface cérebro-computador para controlar uma unidade robótica. In: Encontro NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS,  VIII, 2011,  Campinas-SP. CD-ROM, Rio de Janeiro, ABRAPEC, 2011.

Resumo: Este trabalho complementa outra comunicação, e trata das bases teóricas, conceituais e empíricas que constituirão seqüências didáticas que serão aplicadas na fase de coleta de dados de uma pesquisa de doutorado.  Tais sequências referem-se a situações didáticas para o Ensino de Física em alunos com deficiência visual. A Biônica será a temática norteadora das situações didáticas da Física. O ensino de Física será tratado como uma linguagem (abordagem semiótica) considerando conceituações da Neurociência Cognitiva. As atividades e situações didáticas para o ensino de Física serão executadas a partir da montagem de modelos biônicos utilizando-se uma unidade robótica, que será controlada por uma interface cérebro-computador. Assim sendo, tal investigação apresenta como resultado uma importante tecnologia assistiva inclusiva para o deficiente visual, que pode também ser empregada para outros tipos de deficiências, facilitando o processo de ensino-aprendizagem da Física ou do Ensino de Ciências.  
Abstract: This work complements other communication, and addresses the theoretical, conceptual and empirical didactic sequences that will form that will be applied in the data collection phase of a doctoral research. These sequences relate to teaching situations for the Teaching of Physics in students with visual impairments. The Bionic is the guiding theme of teaching situations in physics. The teaching of physics will be treated as a language (semiotic approach) considering concepts of Cognitive Neuroscience. The activities and teaching situations for the teaching of physics will be run from the bionic assembly models using a robotic unit that is controlled by a brain-computer interface. Therefore, this research presents an important result as inclusive assistive technology for the visually impaired, which can also be used for other types of disabilities, facilitating the process of teaching and learning of Physics and Science Education.

Introdução e justificativa
No Brasil o desenvolvimento de tecnologias assistivas para deficientes ainda é incipiente, quando comparada a outras áreas do conhecimento científico, especialmente para deficientes visuais. Enquanto diversos países como França, Alemanha, Suíça, Austrália, Estados Unidos e outros possuem considerável know-how na área, uma busca detalhada de artigos nacionais sobre o tema em periódicos e bases de dados  revela ainda uma quantidade muito pequena de trabalhos, ainda que existam no país diversos grupos de pesquisas em algumas universidades que, na maioria dos casos, são e estão diretamente vinculados às áreas de engenharia, computação ou biomedicina.
Por outro lado, quando esta busca é efetuada em programas de pós-graduação específicos na área de Educação e, mais ainda, na subárea de Ensino de Ciências, aqueles números tornam-se ainda menores, especificamente no Ensino de Física existem poucos pesquisadores na área da deficiência visual (Camargo, 2008).
A pesquisa e desenvolvimento na área de tecnologias assistivas, incluindo aquelas aplicadas para o deficiente visual, recruta as seguintes áreas: Educação, Ciências cognitivas (Biologia, Neurociência, Psicologia e Medicina), Bioengenharia, Engenharia (Eletrônica, Computação). Entretanto, quando fazemos esta reflexão procurando identificar a interdisciplinaridade na pesquisa nesta área, também se constata numa primeira impressão a necessidade de uma massa crítica formada por uma comunidade científica quantitativamente mais numerosa e melhor articulada nas políticas e estratégias. Esta questão nos remete diretamente aos princípios da inclusão para todas as idades e em todos os contextos, principalmente o escolar, considerado desde a infância. Sobre isto, a UNESCO se posiciona destacando a opinião dada pela neurociência:
Giving children an early start in education lays the foundations for inclusion since, as cognitive neuroscience has shown, early childhood is a critical period for the acquisition of cognitive skills (UNESCO,2009).
Portanto, a busca por tais estratégias metodológicas e tecnológicas, e sua aplicação direta para a área educacional parece ser uma questão mais do que necessária e extremamente estratégica dentro do conjunto das políticas educacionais inclusivas. Neste trabalho delineamos bases para a configuração de uma pesquisa na área de tecnologias assistivas, com aplicação direta e imediata para o Ensino de Física para alunos com deficiência visual.
Para isto, utilizaremos uma abordagem didática fundamentada nos conceitos da Biônica (ou biomimética), estruturando-se um conjunto de situações didáticas que serão aplicadas empregando-se uma unidade robótica que será controlada pelo indivíduo deficiente visual através de uma interface cérebro-computador.
Interface Cérebro-computador
O propósito de compreender , reproduzir ou simular o cérebro humano não é recente. Norbert Wiener, em 1950 publicaria Cibernética e Sociedade: o uso humano de seres humanos descrevendo em equações o que para o autor consistia do pensamento humano. Atualmente, uma das técnicas mais utilizadas para tais propósitos é o eletroencefalograma (EEG), onde 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). Por intermédio desta técnica, potenciais de ação elétrica são amplificados e decodificados por técnicas matemáticas e computacionais, convertendo-se em padrões de leitura sobre o funcionamento das respectivas áreas cerebrais associadas a realização de diferentes tarefas cognitivas.
Nesta direção, recentemente uma nova abordagem tecnológica integra diretamente o cérebro humano a interfaces através de softwares, chamadas de Interface Cérebro-Computador - ICC (brain-computer interface) ou interface cérebro-máquina (brain-machine interface) que emula, analisa e controla os sinais neurais, permitindo sua conexão com computadores ou equipamentos eletro-eletrônicos, mecânicos e hidráulicos.
A pesquisa e aplicação da tecnologia de ICC para deficientes visuais está em estágio embrionário, destacando mais seu uso quando associado a dispositivos tecnológicos táteis (Lécuyer, 2009). Porém, em outras aplicações, tal tecnologia tem se mostrado muito promissora, como por exemplo:
•          Aplicações de bioengenharia: dispositivos de auxílio para pessoas deficientes;
•          Monitoramento humano: para se 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.
Num nível mais prático e funcional, normalmente o que se tem realizado atualmente associando-se as interfaces cérebro-computador e a imageria computacional é, por exemplo, a criação de ambientes virtuais que possam ser manipulados pela atividade cerebral humana. Com isto, abre-se uma grande oportunidade e possibilidade para diversas finalidades, inclusive para os diversos tipos de deficiências (Lebedev e Nicolelis, 2006) .
Para esta pesquisa, optamos utilizar a interface cérebro-computador da marca Emotiv Epoc, na versão Research (Miguel, 2010).  Este equipamento possui as seguintes características operacionais:

  1. Trabalha com a técnica não invasiva (Nicolelis, 2002, 2003; Nicolelis e Chapin, 2002), sendo que o contato elétrico dos eletrodos com o escalpo é facilmente e confortavelmente realizado através de um headset, com comunicação com o software via tecnologia Bluetooth;
  2. Utiliza o eletroencefalógrafo como interface: o baixo custo do equipamento, a facilidade de uso e vasto conhecimento protocolar sobre tal técnica. O uso do 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;
  3. Opera no modo de realidade virtual: o software permite a interação e manipulação direta por intermédio da atividade elétrica cerebral com imagens (mentais e ou visuais) num cenário de realidade virtual. Diferentemente de outros, a ICC foi projetado considerando fortemente a aplicação em realidade virtual, principalmente para a área lúdica, o que demonstra sua completa inocuidade;
  4. Operação no modo neurofeedback: oferece uma mapeamento das respectivas freqüências cerebrais Alfa, Beta, Gama e Teta, possibilitando um monitoramento e conseqüente ação sobre o controle dos estados mentais, cognitivos e emocionais correlacionados;
  5. A interface é amigável com outros dispositivos computacionais, principalmente via conexão Bluetooth, permitindo no nosso caso que os comandos da ICC sejam diretamente executados no console do software, e transmitidos para a unidade de processamento central do robô Lego Mindstorms.

Na Figura 1 é mostrado o headset da ICC Emotiv Epoc, onde podemos observar os 16 eletrodos que compõem o conjunto de recepção/transmissão da atividade elétrica cerebral.
Figura 1 – Interface cérebro-computador Emotiv Epoc

Na Figura 2 vemos detalhe do software, na função de neurofeedback, indicando as respectivas atividades Alfa, Beta, Gama e Teta correspondendo aos padrões de estimulação elétrica das ondas cerebrais.
Figura 2 – Registro do painel de neurofeedback (atividades Alfa, Beta, Gama e Teta)
 
O registro correspondente da atividade elétrica, fornecida pelo EEG da interface é mostrado na Figura 3.

 

Figura 3 – Painel de registro da atividade do EEG

Neste equipamento, através de um planejamento de treino é possível fazer com que o indivíduo execute diversos tipos de movimentos (lados direito e esquerdo, para cima, para baixo, rotações no sentido horário e anti-horário, para direita ou para esquerda e ainda um comando para fazer desaparecer o objeto) de um cubo virtual do software. Posteriormente, estes comandos podem ser associados a equipamentos conectados externamente, através de algum dispositivo eletro-eletrônico, como a unidade robótica Lego Mindstorms NXT 2.0, que mostraremos na seqüência.
Um exemplo distinto do caso que estamos considerando neste trabalho, é o uso de uma ICC para o controle de uma cadeira de roda motorizada, o que seria numa situação de pessoas com problemas motores, por exemplo a tetraplegia (Figura 4).
Figura 4 – Controle de uma cadeira de rodas motorizada através de uma ICC (projeto desenvolvido pelo Center for Neuroprosthetics, da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiça)
millan_chair
Na verdade, qualquer dispositivo ou equipamento elétrico-eletrônico pode ser acionado e controlado por uma ICC, como a utilizada nesta pesquisa.
Outra aplicação é efetuar o controle do mouse do computador, apenas através da ICC, possibilitando por exemplo o processo da escrita, mediante um ecrã onde as letras são dispostas (Figura 5).
No nosso caso, com a ICC Emotiv Epoc, pretendemos desenvolver uma aplicação semelhante utilizando uma planilha eletrônica, com equações da Física que serão empregadas nas respectivas situações didáticas, fazendo com que o indivíduo deficiente visual navegue pela tela do computador, integrando esta tecnologia com softwares como Dos-Vox, Jaws ou MecDaisy. Este uso é particularmente interessante e útil, principalmente quando temos pessoas com deficiência múltipla (exemplo, visual e física simultaneamente), cujos movimentos das mãos pode estar comprometidos.
Figura 5 – ICC ‘OpenViBE’ desenvolvida pelo Institut National de Recherche em Informatique et en Automatique (INRIA), Institut National de la Santé et la Recherche Médicale (INSERM) e France Telecom R&D
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Unidade robótica Lego Mindstorms NXT 2.0
Consta de um kit com peças de montagem de encaixe do tipo Lego, possibilitando grande variabilidade na criação de projetos. O equipamento possui uma unidade de processamento central, que permite o controle de até três servo-motores e quatro sensores, sendo dois de toque, um sensor ultra-sônico e outro sensor fotônico. Este dispositivo é uma ferramenta educacional desenvolvida e estudada por Marvin Minsky e Eric Drexler, do Massachusetts Institute of Technology, e periodicamente vem sofrendo aperfeiçoamento e atualizações tecnológicas.
Para os objetivos deste trabalho, cuja escolha das situações didáticas recaiu sobre a temática ‘Biônica’ (conforme veremos no próximo item), as montagens do robô Lego Mindstorms serão criadas buscando-se a inspiração em organismos biológicos em seu todo, ou em algumas de suas partes. Entretanto, a escolha das montagens será realizada considerando a Teoria dos Campos Conceituais (Vergnaud, 1996), cuja ênfase recai nos seguintes parâmetros:

  1. Estipulação dos campos conceituais da situação didática: levando-se em consideração a congruência dos princípios biônicos, conceitos e teoremas-em-ação da Física envolvida em cada atividade. Cada atividade iniciará com uma problematização diretamente vinculada a questões de Ciência, Tecnologia, Sociedade e Meio-ambiente (ou Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática);
  2. Escalonamento hierárquico em relação ao grau de complexidade tanto dos princípios biônicos quanto dos conceitos e teoremas-em-ação da Física de cada situação didática e respectiva montagem com o kit do robô Lego Mindstorms;
  3. Organização da atividade didática: pressupõe sempre o trabalho em equipe, com função específica para cada membro da equipe. Entretanto, nas montagens o aluno deficiente visual deverá efetuar o controle de algumas ações mecânicas do robô Lego Mindstorms, mas também não inviabilizando que isto seja executado por outro membro da equipe utilizando-se a programação específica do software que acompanha o equipamento.

Uma das montagens que serão desenvolvidas com o Lego Mindstorms é mostrado na Figura 6, cuja inspiração é um réptil. Na parte frontal, logo acima do que seria a boca do animal, observa-se o sensor ultrasônico.
Figura 6 – Lego Mindstorms Robogator
[2.jpg]
A unidade de processamento central do Lego Mindstorms NXT 2.0 é mostrada do lado esquerdo do projeto abaixo, do que seria uma aranha (Figura 7), onde vemos o servo-motor acoplado às pernas do animal, comandados por um conjunto de engrenagens.
Figura 7 – Projeto de uma aranha robótica

BIÔNICA: PRINCÍPIOS E APLICAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA
A biônica será utilizada na pesquisa em duas finalidades independentes mas correlacionadas. A primeira é no domínio puramente tecnológico, no que se refere a aplicabilidade enquanto uma tecnologia assistiva. A segunda vertente é de natureza essencialmente didático-pedagógica, fundamentando a estruturação epistemológica e metodológica das situações e atividades que serão aplicadas envolvendo o ensino de Física para deficientes visuais.
Segundo Benyus (1997, p.8), biônica, ou biomimética é:

  1. A natureza como modelo: a biomimética é uma nova ciência que estuda os modelos da natureza e depois imita-os ou inspira-se neles ou em seus processos para resolver os problemas humanos.
  2. A natureza como medida: a biomimética usa um padrão ecológico para ajuizar a correção das nossas inovações;
  3. A natureza como mentora: a biomimética é uma nova forma de ver e valorizar a natureza. Ela inaugura uma era cujas bases assentam não naquilo que podemos extrair da natureza, mas no que podemos aprender com ela.

A primeira noção biônica que utilizamos na pesquisa é a emulação da atividade cerebral de um indivíduo para o controle (biológico ou tecnológico) de sistemas acoplados direta ou indiretamente ao corpo do indivíduo. No nosso caso, a interface cérebro-computador proporcionará determinado nível de autonomia no indivíduo, na medida em que este será capaz de efetuar tarefas que normalmente apenas com seus sentidos físicos teria alguma limitação de fazê-lo, ou até total impossibilidade.
Na situação específica do deficiente visual, o fato de não enxergar limita o campo de ação do indivíduo em relação a virtuais dispositivos de seu entorno e meio ambiente. A interface cérebro-computador vem exatamente preencher esta limitação, tentando pois aproximar o máximo possível o indivíduo de executar procedimentos e tarefas que normalmente as pessoas consideradas ‘normais’ são capazes.
Nestas condições, na medida em que a interface cérebro-computador esteja devidamente acoplada e funcionalmente operante, podemos dizer que estamos diante de uma tecnologia assistiva, assim definida:
Tecnologia Assistiva é uma área do conhecimento, de característica interdisciplinar, que engloba produtos, recursos, metodologias, estratégias, práticas e serviços que objetivam promover a funcionalidade, relacionada à atividade e participação de pessoas com deficiência, incapacidades ou mobilidade reduzida, visando sua autonomia, independência, qualidade de vida e inclusão sócia (CAT, 2007).
Passemos agora a descrição da Biônica enquanto um sistema epistemológico, que subsidiará e permeará o desenvolvimento das atividades envolvendo os campos conceituais (conceitos e teoremas-em-ação) da Física envolvida nas respectivas situações didáticas das montagens com o robô Lego Mindstorms.
Para a abordagem seguinte, utilizaremos as considerações epistemológicas, heurísticas, axiomáticas, teóricas, empíricas e metodológicas desenvolvidas por Bernd Hill (Hill, 2005, 1996, 1995; Hill e Lutherdet, 1995).
No que tange a Biônica como um sistema epistemológico que emula os princípios naturais biológicos, na forma de leis (o que equivale a princípios, axiomas, corolários) indica-se as seguintes leis de desenvolvimento:
Leis básicas: unidade, polaridade (polaridade simples, antagonismo complementar [sinergético ], mutuamente excludentes) mudança de quantidade para qualidade, conservação (em qualquer processo, sempre ocorrerá o balanço de matéria, de energia ou de informação), etc.;
Leis de estrutura e de tendência: lei da inexaustibilidade do desenvolvimento, lei da irregularidade do desenvolvimento das partes de um sistema, lei do incremento do grau de um sistema, lei da recorrência de Poincaré, lei do fractal;
Leis de tendências de desenvolvimento: diminuir a energia e o material utilizado, fechar os ciclos dos materiais; múltipla realização da função; utilizar a energia potencial natural;
Leis de etapas de desenvolvimento: agregação de elementos uniformes de função, diferenciação estrutural e especialização funcional; divisão hierárquica da função total sobre vários níveis de funções;
Leis de estágios ou de graus hierárquicos de desenvolvimento: estágio inicial; estágio de otimização e formação de sistemas de alto-nível.
Enquanto procedimento operacional e metodológico, os princípios biônicos são: comparar (ou analogia), transferir, ampliar, restringir, conectar, separar, transformar, armazenar, sustentar. Estes princípios são aplicáveis a sistemas onde tenhamos matéria, energia ou informação.
I - Analogia:
•          É realizada através de uma determinada demanda técnica e as correspondentes funções biológicas utilizadas para a sustentação da sobrevivência de um sistema biológico (no estado natural – in natura -, objetivos e tarefas não existem);
•          Pode ser baseado em diferentes níveis de abstrações, a partir de cópias da natureza (biomimetismo), para a transferência de princípios com finalidades técnicas diferentes.
II - Modelização:
•          Aumentar o nível de abstração, deixando de fora recursos que são irrelevantes para fins técnicos;
•          Interpretar os fenômenos biológicos usando termos técnicos e símbolos;
•          Teste experimental de relações funcionais-estruturais, hipotetizado para o biosistema.
III - Extensão do espaço de solução:
•          Ultrapassar paradigmas;
•          Criar idéias completamente novas derivadas de outras áreas do conhecimento, sob a motivação da técnica “synectics”;
•          Ser abstratamente sintético (resumido) na criação de idéias.

 

Resultado
Como dissemos anteriormente, o objetivo deste trabalho é o de apresentar um delineamento didático-pedagógico que norteará a organização de uma seqüência didática para estruturar as situações didáticas para o Ensino de Física, que serão utilizadas na fase de coleta de dados da pesquisa.
Portanto, apresentamos como resultado da explanação que desenvolvemos aqui, em conjunto com o trabalho intitulado ‘A pesquisa em Neurociência e suas implicações para o Ensino de Ciências: contribuições para o Ensino de Física em deficientes visuais’, um exemplo de planejamento de uma matriz didática, tendo como fundamentação teórica a Teoria dos Campos Conceituais, a Semiótica, utilizando-se como tema a Biônica, para o exemplo de uma situação didática da montagem robótica com o Lego Mindstorms ‘Robogator’, (Figura 6), controlado pela interface cérebro-computador Emotiv Epoc.


Referente
Situação didática

 

Problematização em Ciência, Tecnologia, Sociedade, Meio-ambiente

Significado
Invariantes operatórios (conceitos e teoremas-em-ação)

Princípios Biônicos

Significante
Representações utilizadas para a situação didática

Robogator

O que podemos aprender sobre o comportamento dos répteis que podem auxiliar na vida do ser humano? Quais as semelhanças e diferenças entre mamíferos e répteis, e comi isto pode ser utilizado para melhorar o dia-a-dia das pessoas, respeitando ao mesmo tempo o meio-ambiente?

Máquinas simples: alavanca, polia, engrenagem, rodas e eixo, plano inclinado
Conceitos de velocidade, aceleração, momento, impulso, quantidade de movimento, torque, rotação, movimento harmônico, conservação da energia

Analogia, modelização, extensão do espaço de solução.
Como funciona o sistema perceptivo de um aligátor? De que maneira aproveitar o tipo do movimento que executa, para um veículo em terrenos acidentados? Como utilizar estes princípios para desenvolver, por exemplo, um dispositivo de proteção ou de segurança humana?

Desenho do modelo biônico robótico (robogator)
Esquema, na forma de gráfico, expressando: velocidade, aceleração, oscilação no movimento das pernas e da cauda
Expressão verbal (argumentativa) ou esquemática dos conceitos, representando intuitivamente e qualitativamente a relação entre as grandezas físicas (conceitos), até se chegar próximo dos conceitos científicos (expressos pelas equações matemáticas dos respectivos conceitos)
Expressão representacional através de mapas mentais ou mapas conceituais dos conceitos e teoremas-em-ação

Discussão e conclusão
O planejamento pretendido para compor a parte pedagógica de situações didáticas para o ensino de Física em alunos com deficiência visual aqui apresentados, leva em consideração princípios da educação inclusiva, notadamente os conceitos de empowernment e mainstreaming. A utilização de uma tecnologia como a interface cérebro-computador pode contribuir em grande proporção para este propósito, além de que a robótica com inspiração biônica possibilite um plus motivacional para os alunos.
Entretanto, o objetivo principal do projeto de doutorado não se resume nisto. A ênfase recai sim sobre a necessidade de que o ensino de Física seja praticado como um sistema lingüístico e, portanto, segundo uma concepção semiótica. Para que isto seja alcançado, é preciso que seja executado um planejamento detalhado da seqüência didática e a estipulação de estratégias cognitivas que favoreçam o processo de aprendizagem que, conforme mencionamos, pressupõe ainda levar em consideração a incorporação de conceitos da Neurociência Cognitiva.
Praticar-se o ensino de Física com uma abordagem lingüística e semiótica requer ainda que o foco deste ensino se centralize no processo comunicacional professor-aluno-aluno. No que se refere a matriz professor-aluno, um dos critérios comunicativos e neurocognitivos de otimização da aprendizagem é a minimização do uso de raciocínios do tipo disjuntivo e de processos de dissonância cognitiva por parte do docente em relação à maneira como este estrutura e posteriormente conduz ou media as situações de aprendizagem.
Referências
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CAMARGO, E.P.de. Ensino de Física e Deficiência Visual: dez anos de investigações no Brasil. São Paulo: Plêiade/FAPESP, 2008.
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Apoio: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

 

 

 

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