Haptic cues as a utility to perceive and recognise geometry

Publisher's version (útgefin grein)Research has been conducted on how to aid blind peoples’ perceptions and cognition of scientific data and, specifically, on how to strengthen their background in mathematics as a means of accomplishing this goal. In search of alternate modes to vision, researchers and practitioners have studied the opportunities of haptics alone and in combination with other modes, such as audio. What is already known, and has motivated research in this area, is that touch and vision might form a common brain representation that is shared between the visual and haptic modalities and through haptics learning is active rather than passive. In spite of extensive research on haptics in the areas of psychology and neuropsychology, recent advances and rare experiences in using haptic technology have not caused a transfer from basic knowledge in the area of haptics to learning applications and practical guidelines on how to develop such applications. Thus motivated, this study investigates different haptic effects, such as free space, magnetic effects and the bounded box when blind people are given the task of recognising and manipulating classes of 3D objects with which they have varying familiarity. In parallel, this study investigates the applicability of Sjöström’s guidelines on haptic applications development and uses his problem classification to capture knowledge from the experiments. The results of this study show that users can easily recognise and manipulate familiar objects, albeit with some assistance. There is an indication that users completed tasks faster and needed less assistance with magnetic effects. However, they were not as satisfied with this mode. While the results of this study show that haptics have the potential to allow students to conceptualise 3D objects, much more work is needed to exploit this technology to the fullest. Objects with higher complexity are difficult for students, and, in their opinion, the virtual objects (as presented) leave much room for improvement. Sjöström’s error taxonomy proved useful, and four of five sub-guidelines tested were confirmed to be useful in this study.Peer Reviewe

TECNOLOGIAS DIGITAIS E DESENVOLVIMENTO COGNITIVO NA APRENDIZAGEM DE MATEMÁTICA: UMA REVISÃO SISTEMÁTICA DA LITERATURA

Com o avanço das tecnologias, principalmente as digitais, as pesquisas educacionais se expandiram consideravelmente progressivamente a melhoria da qualidade do ensino e/ou aprendizagem, o que está diretamente relacionado ao desenvolvimento cognitivo. Assim, esta pesquisa objetivou, por meio de uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL), analisar as contribuições das pesquisas com tecnologias digitais para o desenvolvimento cognitivo de estudantes no processo de aprendizagem matemática. Durante a pesquisa, respondemos outras questões: quais softwares foram utilizados? Em que nível de ensino na Educação Matemática esses estudos têm estados mais presentes? Quais são as metodologias utilizadas no desenvolvimento das pesquisas?Como os estudos de desenvolvimento cognitivo são baseados no processo de aprendizagem? Para a questão principal da pesquisa, os resultados são apresentados na Tabela 2, assim como as questões secundárias na 3. Nas contribuições evidenciadas, destaca-se a utilização de jogos e softwares, com aplicações em diversos níveis de ensino, exceto na educação infantil ( crianças de 4 anos a 5 anos e 11 meses). Por fim, observamos que dos 16 estudos selecionados, 62,5% foram apoiados teoricamente em alguma teoria de aprendizagem relacionada ao desenvolvimento cognitivo, enquanto 37,5% não basearam seus estudos neste tipo de teoria.Esta revisão poderá contribuir, dentro dos fatos levantados e evidenciados, para novas pesquisas no campo das tecnologias digitais cuja finalidade seja o desenvolvimento cognitivo no processo de aprendizagem da matemática. observamos que dos 16 estudos selecionados, 62,5% estavam apoiados teoricamente em alguma teoria de aprendizagem relacionada ao desenvolvimento cognitivo, enquanto 37,5% não basearam seus estudos nesse tipo de teoria. Esta revisão poderá contribuir, dentro dos fatos levantados e evidenciados, para novas pesquisas no campo das tecnologias digitais cuja finalidade seja o desenvolvimento cognitivo no processo de aprendizagem da matemática. observamos que dos 16 estudos selecionados, 62,5% estavam apoiados teoricamente em alguma teoria de aprendizagem relacionada ao desenvolvimento cognitivo, enquanto 37,5% não basearam seus estudos nesse tipo de teoria. Esta revisão poderá contribuir, dentro dos fatos levantados e evidenciados, para novas pesquisas no campo das tecnologias digitais cuja finalidade seja o desenvolvimento cognitivo no processo de aprendizagem da matemática.Com o avanço das tecnologias, especialmente as digitais, a investigação educativa se expandiu consideravelmente voltada para melhorar a qualidade do ensino e/ou da aprendizagem, o que está diretamente relacionado ao desenvolvimento cognitivo. Esta investigação é como objetivo, através de uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL), analisar os aspectos da investigação com tecnologias digitais para o desenvolvimento cognitivo dos estudantes no processo de aprendizagem das matemáticas. Durante a investigação, respondemos a outras perguntas: Que programas informáticos foram utilizados? Em que nível de Educação Matemática esses estudos estão mais presentes? Quais metodologias foram utilizadas para desenvolver a investigação? Como se fundamentam os estudos sobre o desenvolvimento cognitivo no processo de aprendizagem? Para a pergunta principal de investigação, os resultados são mostrados na Tabela 2, e para as perguntas secundárias na Tabela 3. Entre as transferências destacamos o uso de jogos e software, com aplicações em diferentes níveis educativos, exceto na educação infantil (meninos). de 4 anos a 5 anos e 11 meses). Por último, observando que dos 16 estudos selecionados, 62,5% se apoiaram teoricamente em alguma teoria de aprendizagem relacionada ao desenvolvimento cognitivo, enquanto 37,5% não basearam seus estudos neste tipo de teoria.Com o avanço das tecnologias, especialmente as digitais, as pesquisas educacionais ampliaram-se consideravelmente direcionadas à melhoria da qualidade do ensino e/ou da aprendizagem, a qual está diretamente relacionada ao desenvolvimento cognitivo. Assim, esta pesquisa objetivou, por meio de uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL), analisar as contribuições de pesquisas com tecnologias digitais para o desenvolvimento cognitivo de estudantes no processo de aprendizagem matemática. Durante a pesquisa, respondemos outras perguntas: quais softwares foram usados? Em que nível de ensino da Educação Matemática esses estudos têm estados mais presentes? Quais são as metodologias utilizadas no desenvolvimento das pesquisas?Como fundamentam os estudos de desenvolvimento cognitivo no processo de aprendizagem? Para a pergunta principal de pesquisa os resultados estão interessados ​​no Quadro 2, bem como os questionamentos secundários no 3. Nas contribuições evidenciadas, destaca-se o uso de jogos e softwares, com aplicações em diversos níveis de ensino, exceto na educação infantil (crianças). 4 anos a 5 anos e 11 meses). Por fim, observamos que das 16 pesquisas selecionadas, 62,5%, foram sustentadas teoricamente por alguma teoria de aprendizagem relacionada ao desenvolvimento cognitivo, ao passo que 37,5%, não embasam seus estudos por meio desse tipo de teoria. Esta permissão poderá contribuir

Percepção de estudantes cegos sobre características geométricas 3D utilizando sistemas hápticos

As tecnologias hápticas de software e hardware permitem o toque em objetos virtuais de uma cena com três direções e com feedback de força para que os usuários percebam a sensibilidade háptica dos efeitos, das texturas, das formas, do peso e das dimensões. O objetivo desta pesquisa é verificar como os sistemas hápticos apoiam os estudantes cegos na percepção de propriedades geométricas 2D ou 3D. A revisão sistemática foi guiada pelo processo de Kitchenham (2004). Dessa maneira, as buscas foram realizadas de setembro a outubro de 2017 em bases de dados internacionais – Springer, Sage Journals, ACM Digital Library (Association for Computing Machinery) e IEEE Xplore Digital Library – com o propósito de identificar trabalhos na área da ciência da computação, interação humano-computador, seguindo o protocolo de investigação entre os anos de 2000 a 2017. Os resultados demonstram que os Ambientes Virtuais Hápticos permitem aos estudantes cegos a identificação das características das formas geométricas 3D apesar das limitações de exploração possibilitadas pelos dispositivos hápticos. Dessa forma, as tecnologias hápticas de hardware e software podem proporcionar aos estudantes cegos a compreensão dos conceitos geométricos por meio de vários cenários de problemas contextualizados com o mundo real ou com a própria ciência matemática

O ambiente virtual áudio-háptico como instrumento para a Aprendizagem de geometria : estudo das formas para estudantes cegos

O desenvolvimento das habilidades para os objetos de conhecimento da geometria está relacionado com as formas de organização de aprendizagem matemática e com os recursos didáticos utilizados para a construção de competências para o pensamento matemático (BRASIL, 2017). Esta tese se propõe a investigar como um ambiente virtual áudio-háptico pode contribuir na aprendizagem de geometria para estudantes cegos no Ensino Fundamental, com base em uma sequência de tarefas que contemplem os objetivos de conhecimento e habilidades previstos na Base Nacional Comum Curricular (BNCC). O referencial teórico proposto para esta pesquisa destaca os seguintes temas: a Teoria da Abstração Reflexionante de Piaget (1995), que traz contribuições para a compreensão da construção de conhecimentos; a percepção háptica humana na perspectiva de Lederman e Klatzky (1987), que propõem um conjunto de procedimentos exploratórios (Exploratory Procedure – EPs) para uma pessoa examinar um objeto com ou sem visão no intuito de perceber propriedades por intermédio do tato, bem como discutem as sensações que são convertidas pelo cérebro em informações cutâneas e cinestésica; a tecnologia háptica de hardware, em que se apresentam os dispositivos que permitem a interação de pessoas com ambientes virtuais por meio do tato e feedback de força; e o estudo da geometria, evidenciando a importância da aprendizagem dos conceitos geométricos no Ensino Fundamental, e a Tecnologia Assistiva digital com foco no sentido tátil-cinestésico para inclusão de estudantes cegos no estudo da geometria. A pesquisa apresenta abordagem qualitativa de natureza aplicada e foi realizada no Instituto Benjamin Constant, instituição de ensino para deficientes visuais localizada no bairro da Urca, na cidade e no estado do Rio de Janeiro. Para a coleta de dados, foram utilizadas as técnicas de observação participante, gravação de vídeo e Think Aloud, com o intuito de explorar os fatores de eficácia e eficiência e o mecanismo de abstração reflexionante na construção de conhecimentos geométricos. Os dados coletados foram analisados por meio da técnica de análise categorial prevista no método de análise de conteúdo (BARDIN, 2016). Acredita-se que esta tese possa contribuir como um recurso assistivo que apoie a aprendizagem de geometria – estudo das formas para estudantes cegos no Ensino Fundamental.The development of skills for the objects of knowledge of geometry is related to the forms of organization of mathematical learning and the didactic resources used to build competencies for mathematical thinking (BRASIL, 2017). This thesis aims to investigate how an audiohaptic virtual environment can contribute to Geometry Learning for Blind Elementary School Students, based on a sequence of tasks that address the objectives of knowledge and skills foreseen in the Common National Curriculum Base (BNCC). The theoretical framework proposed for this research highlights the following themes: Piaget's theory of reflect abstraction, Piaget (1995), which brings contributions to the understanding of the construction of knowledge; the human pain perception from the perspective of Lederman and Klatzky (1987), who propose a set of Exploratory Procedures (EPs) for a person to examine an object with or without vision in order to perceive properties through touch, as well as discuss the sensations that are converted by the brain into cutaneous and kinesthetic information; the political technology of hardware, in which the devices that allow the interaction of people with virtual environments through touch and force feedback are presented; and the study of geometry, evidencing the importance of learning geometric concepts in Elementary School, and digital assistive technology focused on the tactile-kinesthetic sense for the inclusion of blind students in the study of geometry. The research presents a qualitative approach of an applied nature and was held at the Benjamin Constant Institute, an educational institution for the visually impaired located in the Urca neighborhood, in the city and in the state of Rio de Janeiro. For data collection of this investigation, participant observation, video recording and Think Aloud techniques were used in order to explore the factors of efficacy and efficiency and the mechanism of reflecting abstraction in the construction of geometric knowledge. The collected data were analyzed using the category analysis technique provided for in the content analysis method (BARDIN, 2016). It is believed that this can contribute as an assistive resource that supports the learning of geometry – study of forms for blind students in Elementary School

Remediation of Spatial Skills in First Semester Calculus Using Haptics-Based Applications

Spatial reasoning is required for many topics in undergraduate mathematics as well as other STEM fields. In calculus specifically, there are few interventions that assess students’ spatial skills and provide remediation. Haptic technology is a novel approach to spatial skills remediation due to its unfamiliarity to students and its flexibility with regard to models. The purpose of this dissertation is two-fold: first, to determine what level of spatial abilities students possess upon entering an undergraduate calculus course, and second, to determine whether haptic feedback will enhance an intervention for improving spatial skills. The dissertation research was a mixed-methods study using the combination of a quantitative spatial reasoning test, semi-structured interviews, and student activities. The design of the study was pre-test – post-test matched subject, using the quantitative spatial reasoning test – the Santa Barbara Solids Test (SBST) – and other demographic information to match students of similar spatial reasoning abilities and backgrounds for the qualitative part of the study. In all, 306 students completed both the SBST pre-test and post-test. Ten of these students were selected as matched pairs, of which nine completed the pre-interview, intervention activities, and post-interview, leaving eight students in four matched pairs for the qualitative analyses. Analysis of the pre-test and post-test scores showed that the students who completed the intervention activities performed significantly better on the SBST post-test than on the pre-test. Furthermore, these students improved their scores more than the students who did not complete the intervention activities, and the difference between these groups was significant. While some differences were noted between the students who completed the intervention activities with haptic feedback and those who completed them without, there were not significant differences in performance on the post-test, nor the improvement from the pre-test to the post-test. The pre-interviews and post-interviews were coded using the spatial skills framework created by Engelke et al. (2016). Examination of the codes applied to each set of interviews showed a similar ratio of codes in each set. Both interviews contained an overwhelming majority of visualization language over orientation language. The most prominent subcategory displayed was representing objects, followed by structuring, mathematical properties, and finally measurement. The students who completed the intervention activities with haptic feedback and those who completed them without showed similar changes in their spatial language between the pre-interview and post-interview. Analysis of the scores of the interview questions did not show a significant difference between the pre-interviews and post-interviews, nor did it show a significant difference between the students who completed the intervention activities with haptic feedback and those who completed them without. These findings indicate that students entering calculus have strong visualization and representing objects spatial skills, but lack orientation and structuring spatial skills. They also show that putting students through a short remediation, even without feedback on their performance, can improve spatial skills. Although significant differences could not be found between the students who received haptic feedback in the intervention activities and those who did not, this could be due to the small number of matched pairs, and does not rule out the potential for haptic feedback use in spatial reasoning training

A percepção do espaço tridimensional e sua representação bidimensional: a geometria ao alcance das pessoas com deficiência visual em comunidades virtuais de aprendizagem

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Gestão do Conhecimento, Florianópolis, 2014.Desde o ano de 1988, a educação às pessoas com deficiência foi assegurada como um direito social, entretanto, é a exclusão que se configura como produto da sociedade. Salas de aula, ambientes virtuais para ensino e aprendizagem e também professores não estão preparados para receber esses alunos. Contudo, este público compõe um significativo percentual de população economicamente ativa, a qual demanda propostas acadêmicas adequadas para suas necessidades. Neste sentido, esta dissertação foi realizada no âmbito do projeto amparado por recursos da CAPES-AUX-Proesp /edital 01/2009, intitulado "Educação Inclusiva: Ambiente Web acessível com objetos de Aprendizagem para Representação Gráfica", e tem como objetivo propor recomendações para a criação de material didático para o aprendizado de Geometria em uma Comunidade de Prática Virtual. Por conseguinte, esta pesquisa se fundamenta na Teoria da Cognição Situada, cuja síntese é a aquisição do conhecimento através da colaboração e da participação do indivíduo na vida cotidiana dentro de um contexto social. Assim, aproxima-se a teoria da cognição situada do aprendizado do indivíduo com deficiência visual e das suas percepções do espaço tridimensional. Com a revisão da literatura sobre a percepção, Teoria da Cognição Situada e sua continuação nas comunidades de prática e, também, com as pesquisas realizadas através de entrevistas semiestruturadas, questionários e grupo focal, foi possível desenvolver cinquenta e três recomendações distribuídas em sete categorias: percepção, comunicação e linguagem; percepção e tridimensionalidade; percepção, desenho e geometria; comunidade de prática e o seu cultivo; comunidade de prática e motivação; comunidade de prática e tecnologias; e comunidade de prática e aquisição do conhecimento. A variedade de pesquisas junto ao sujeito propiciou um arcabouço de informações que permitiu uma análise da realidade da pessoa com deficiência visual com relação a sua percepção e seu envolvimento com a geometria e com comunidades de práticas.Abstract : Since 1988, education for people with disabilities has been secured as a social right. However, the exclusion is configured as a product of society. Classrooms, virtual environments for teaching and learning and teachers are not prepared to receive these students. However, this audience composes a significant percentage of the economically active population, which demands appropriate academic proposals for your needs. In this sense, this work was performed under the project supported by funds from CAPES-AUX-PROESP / public notice in 2009, entitled "Inclusive Education: Web Environment Learning with accessible objects to Graphic Representation" and aims to propose recommendations for creating educational materials for learning Geometry in a Virtual Community of Practice. Accordingly, this research is based on the theory of situated cognition. Its synthesis is the acquisition of knowledge through collaboration and participation of the individual in daily life within a social context. Therefore, approaches the theory of situated cognition of the blind learning and their perceptions of the three-dimensional space. With the literature on the perception of the blind, theory of situated cognition and its continuation in communities of practice and also with research conducted through semi-structured interviews, questionnaires and focus groups, it was possible to develop fifty-three recommendations distributed in seven categories: perception, communication and language, perception and three dimensionality, perception, drawing and geometry; community of practice and cultivation; community of practice and motivation, community of practice and technology, and community of practice and knowledge acquisition. A variety of research provided a framework of information that allowed an analysis of the reality of the blind with respect to their perceptions and their involvement with the geometry and communities of practice

Development of the multimodal system of educational game for partially sighted and blind children

У дисертацији су приказани развој мултимодалног система за образовну игру Луграм и истраживања везана за његову примену у области редовног и специјализованог основношколског образовања. Извршено је испитивање утицаја Луграма на повишење ефеката учења геометрије у редовној разредној настави, испитивање да ли његову прилагођену мултимодалну верзију могу да користе слабовида и слепа деца и да ли се она може користити за њихову обуку за самосталну употребу рачунарске аудио верзије Луграма. Утврђено је да Луграм има утицаја на пораст успеха у учењу геометрије и да се прилагођена аудио- тактилна верзија може користити у сврху обуке слабовиде и слепе деце за самостално коришћење аудио верзије игре. Резултати истраживања су показали оправданост приступа развоју Луграма као мултимодалног система за игру и усмерили његов даљи развој ка асистивном мултимодалном систему који поседује способност говорне интеракције са корисником и могућност прилагођења различитим категоријама корисника.U disertaciji su prikazani razvoj multimodalnog sistema za obrazovnu igru Lugram i istraživanja vezana za njegovu primenu u oblasti redovnog i specijalizovanog osnovnoškolskog obrazovanja. Izvršeno je ispitivanje uticaja Lugrama na povišenje efekata učenja geometrije u redovnoj razrednoj nastavi, ispitivanje da li njegovu prilagođenu multimodalnu verziju mogu da koriste slabovida i slepa deca i da li se ona može koristiti za njihovu obuku za samostalnu upotrebu računarske audio verzije Lugrama. Utvrđeno je da Lugram ima uticaja na porast uspeha u učenju geometrije i da se prilagođena audio- taktilna verzija može koristiti u svrhu obuke slabovide i slepe dece za samostalno korišćenje audio verzije igre. Rezultati istraživanja su pokazali opravdanost pristupa razvoju Lugrama kao multimodalnog sistema za igru i usmerili njegov dalji razvoj ka asistivnom multimodalnom sistemu koji poseduje sposobnost govorne interakcije sa korisnikom i mogućnost prilagođenja različitim kategorijama korisnika.The dissertation presents the development of the multimodal system for the educational game Lugram and the research related to its application in the regular and specialized primary education. The examination of the effect which Lugram has on the improvement in learning geometry in the primary education is done, as well as the testing weather its adapted multimodal version can be used for the training of partially sighted and blind children for the independent use of the computer audio version of Lugram. It is established that Lugram has an influence on the improvement in learning geometry and that adapted audio-tactile version can be used for the training purposes for partially sighted and blind children. Results of the research have justified the approach in the development of Lugram as a multimodal system for the game. Moreover, they focus further development toward assistive multimodal system which has ability of the voice interaction with the user and also ability of adaptation to the different kind of users

Requisitos de projeto para produção de recursos didáticos táteis para estudantes cegos no processo de ensino-aprendizagem de geometria espacial

Pessoas cegas possuem capacidades de desenvolvimento tanto quanto pessoas videntes. No âmbito das habilidades cognitivas, o desenvolvimento pode ocorrer num ritmo mais lento ou diferente, se comparado ao de pessoas típicas, porém ele ocorrerá desde que seja estimulado. No Brasil, o Censo Demográfico de 2010 mostrou que ao se observar um grupo de menor grau de instrução, quase uma entre três pessoas declarou ter deficiência, o que leva a perceber que a promoção do acesso, frequência e permanência de pessoas com deficiência em instituições de ensino é um desafio da educação nacional. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo definir requisitos a partir de uma Metodologia de Design integrada à Teoria de van Hiele, como contribuição para o processo de produção de recursos didáticos táteis para estudantes cegos no processo de ensino-aprendizagem de Geometria Espacial. A metodologia de pesquisa utilizada se fundamenta na Design Science Research e se caracteriza como uma pesquisa de natureza exploratória, com abordagem qualitativa e finalidade descritiva. Como resultados, explicitam-se todo o desenvolvimento e avaliação dos artefatos que foram usados para a definição de requisitos de projeto, baseados na bibliografia estudada e também nos dados levantados por meio das entrevistas com os participantes da pesquisa (especialistas de projeto, professores de Matemática de sala de aula regular, professores de SIR/Visual e SIR da Rede Municipal de Ensino de Porto Alegre e uma estudante cega). Os resultados obtidos podem auxiliar projetistas no processo de desenvolvimento e produção de recursos didáticos táteis que estejam em conformidade com as necessidade educacionais de estudantes cegos em contexto escolar.Blind people have developmental skills as well as typical people. Within cognitive skills, development may occur at a slower or different rate compared to typical people, but it will occur as long as it is stimulated. In Brazil, the 2010 Population Census showed that by observing a lower education group, almost one in three people reported having a disability, which shows that promoting access, frequency and permanence of people with disabilities in institutions teaching is a challenge of national education. Thus, this paper aims to define requirements from a Design Methodology integrated with van Hiele's Theory, as a contribution to the process of producing tactile didactic resources for blind students in the teaching-learning process of Spatial Geometry. The research methodology used is based on Design Science Research and is characterized as an exploratory research, with qualitative approach and descriptive purpose. As a result, all the development and evaluation of the artifacts that were used for the definition of project requirements, based on the studied bibliography and also the data collected through the interviews with the research participants (project specialists, regular classroom math teachers, SIR/Visual and SIR teachers from the Porto Alegre Municipal Education Network and one blind student). The obtained results can help designers in the process of development and production of tactile didactic resources that are in accordance with the educational needs of blind students in the school context