PROJETOS. Metodologias e tecnologias "Inteligentes" no apoio à Educação. projeto. Vandor Roberto Vilardi Rissoli coordenador do projeto

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1 PROJETOS 2017 Metodologias e tecnologias "Inteligentes" no apoio à Educação projeto Vandor Roberto Vilardi Rissoli coordenador do projeto Ciências Exatas e da Terra área de conhecimento Edital DEG/DAC/CEAD n 001/2017

2 2 Metodologias e tecnologias "inteligentes" no apoio à Educação 1. JUSTIFICATIVA O avanço contínuo da tecnologia vem oferecendo recursos interessantes ao processo de ensino que almeja a aprendizagem, correspondendo, atualmente, a um dos fatores de contribuição relevante à formação estudantil nas várias áreas do conhecimento humano. Novos recursos tecnológicos têm surgido, enquanto os já existentes têm progredido no atendimento das necessidades provenientes das diversas metodologias, técnicas e modalidades de ensino utilizadas nessas diferentes áreas de conhecimento. A adequada sintonia entre as exigências destas metodologias e as tecnologias que lhes são associadas pode prover um processo educacional personalizado às características de cada aprendiz, conferindo aos seus docentes um volume de dados significativo ao acompanhamento da aprendizagem individual dos estudantes, sem, contudo, aumentar a carga de trabalho docente. Diante destas possibilidades, as tecnologias denominadas inteligentes, provenientes da Inteligência Artificial, têm-se destacado e contribuído, significativamente, com a qualidade do processo educacional, fornecendo assistência condizente com as responsabilidades dos colaboradores diretos (professores, monitores, diretores) no sucesso do processo de formação dos futuros profissionais em suas respectivas áreas de conhecimento. Em tempo real, essas tecnologias fornecem dados relevantes para as possíveis tomadas de decisões estratégicas, no âmbito educacional, almejando o êxito no ensino e na aprendizagem que transforma o processo educacional mais ativo para os envolvidos, respeitando ainda as características particulares de cada aprendiz para prover um ensino de qualidade. Dessa forma, este projeto deseja combinar um conjunto de metodologias educacionais com a tecnologia dos Sistemas Tutores Inteligentes (STI), procurando adequar o atendimento das necessidades da aprendizagem de

3 3 cada estudante as estratégias educacionais que lhe sejam mais condizentes ao momento de sua aprendizagem. Essa tecnologia (STI) fornece assistência às atividades discentes, docentes e aos coordenadores pedagógicos ou diretores de curso, por meio da análise do comportamento de cada estudante. Com isso, torna-se possível e ágil um melhor acompanhamento da situação de aprendizagem de cada estudante, além da realização de inferências sobre o estado cognitivo atual de cada aprendiz pelo STI, que é compartilhado com todos os envolvidos. Essas características potencializam a capacidade de modificação da realidade da educação nacional, aliando os aspectos de maior eficiência humana e tecnológica para promover uma educação de qualidade, personalizada às necessidades de cada aprendiz, respeitando e complementando a postura didático-pedagógica dos docentes engajados na evolução dos processos educacionais brasileiros, em qualquer das modalidades de ensino conhecidas (presencial, semipresencial e a distância). 2. Objetivos 2.1. Objetivo geral O objetivo principal desta proposta é a evolução do Sistema de Apoio Educacional (SAE) para a integração de várias metodologias educacionais com recursos tecnológicos inteligentes que possam fornecer apoio estratégico e adequado ao acompanhamento personalizado do estado cognitivo de cada estudante durante todo seu processo de aprendizagem em diferentes modalidades de ensino e sobre a área de conhecimento escolhida pelo aprendiz para sua formação Objetivos específicos Pesquisar bibliografia correlata aos assuntos principais da proposta, a fim de conhecer o possível estado da arte na combinação de

4 4 metodologias e tecnologias que propiciem a personalização do ensino e da aprendizagem assistida por tecnologias inteligentes ; Conhecer os recursos oferecidos pelos softwares educacionais denominados Sistemas Tutores Inteligentes e, em particular, do Sistema de Apoio Educacional (SAE, 2017); Analisar as possibilidades de integração de novas metodologias de aprendizagem aos recursos tecnológicos do SAE que propiciarão o conforto do docente em manter sua(s) postura(s) pedagógica(s) integrada a este Sistema Tutor Inteligente; Projetar um Assistente Virtual de Ensino Inteligente (AVEI) que seja capaz de acompanhar o processo de aprendizagem de cada estudante e fornecer orientação pedagógica coerente com as principais diretrizes da metodologia adotada por uma disciplina, além de subsidiar os responsáveis por esse processo (docentes e diretores); Desenvolver a evolução do AVEI que será capaz de auxiliar os principais envolvidos no processo educacional (alunos, monitores, professores, diretores); Personalizar o processo de ensino e aprendizagem em cursos de extensão, graduação e pós-graduação nas áreas de conhecimento que desejam combinar metodologias de aprendizagem com tecnologias coerentes aos objetivos do conteúdo letivo; Realizar experimentos para validar esta proposta integrativa entre uma variedade de metodologias e os recursos tecnológicos inteligentes ; Documentar a evolução dos recursos tecnológicos para posterior avanço na representação do conhecimento no acompanhamento e orientação fornecida pelo SAE; Compartilhar os resultados alcançados e o próprio SAE evoluído, por meio do Portal do Software Público Brasileiro como contribuição de apoio aos processos educacionais; Colaborar com a pesquisa brasileira em Informática na Educação.

5 5 3. DESCRIÇÃO DO PROJETO Uma variedade de recursos tecnológicos tem sido desenvolvida com o objetivo de oferecer suporte aos processos educacionais, onde sofisticados sistemas são disponibilizados para as diferentes áreas de conhecimento, sendo relevante à qualidade destes recursos na área da Educação. Diante desta realidade, os STI têm-se consolidado como tecnologia adequada ao apoio de diversas metodologias educacionais, pois sua arquitetura possui capacidade de ensinar e aprender, procurando adequar estratégias de ensino às necessidades de aprendizagem de cada estudante (RISSOLI, 2011). Esse tipo de software educacional confere ao computador características de simulação comuns à inteligência humana, incorporando técnicas provenientes da Inteligência Artificial, a fim de tentar criar um ambiente que leve em consideração os diversos estilos cognitivos de seus estudantes. Sua arquitetura interna é modular e o domínio de sua aplicação é organizado com base no conhecimento envolvido e relevante para assimilação de seus aprendizes (PSOTKA et al, 1988). O projeto SAE emprega características modernas na atuação dos STI que fornecem apoio ao processo de ensino e aprendizagem, se mantendo em um caminho evolutivo que agrega à sua arquitetura recursos tecnológicos que sejam capazes de promover atividades de apoio educacional em várias áreas de conhecimento. Todos esses recursos no SAE são condizentes com os principais pressupostos da Teoria da Aprendizagem Significativa (TAS), proposta por Ausubel (1980), que consiste na abordagem pedagógica que fundamenta a concepção inicial deste software educacional, assim como a sua postura didática-pedagógica baseada em Metodologias Ativas, principalmente, nos aspectos relativos a aprendizagem por descoberta (RISSOLI, 2007b). Dentre os fatores envolvidos no processo de ensino e aprendizagem, apoiado por tecnologias, a escolha de uma metodologia educacional adequada

6 6 corresponde ao mais importante, pois direciona as atividades humanas e tecnológicas envolvidas de forma condizente com a necessidade da aprendizagem individual de seus estudantes. Os aspectos relacionados com a interface desse sistema também são relevantes e se constituem em outro módulo importante na arquitetura do STI. Seu planejamento deve estar sintonizado com a realidade das habilidades e conhecimentos existentes em seus usuários, evitando assim um esforço cognitivo acentuado para a operação do sistema (RISSOLI et al, 2007a). Dessa forma, esta combinação entre metodologias educacionais e recursos tecnológicos tem buscado incentivar a autonomia de cada aprendiz, personalizando seu atendimento e oferecendo alternativas de estudo que sejam mais eficientes a uma aprendizagem qualificada. A elaboração desta proposta propõe uma integração ao projeto SAE que possibilitará o fornecimento destas orientações abrangendo uma gama maior de metodologias educacionais, tornando-o mais adequado ao acompanhamento de conteúdos que se baseiam em outras abordagens pedagógicas junto aos estudantes de diferentes áreas de conhecimento. A moderna implementação do SAE vai além dos recursos mais tradicionais oferecidos pelos STI, que direcionam, e até orientam, somente os aprendizes em seu processo de estudo sobre determinado conteúdo letivo. No SAE outros agentes humanos são assistidos pelo sistema e colaboram na obtenção de dados e informações que enriquecem a modelagem individual de cada estudante. Estes outros agentes humanos participam direta (docentes e monitores) ou indiretamente (diretores) do processo de ensino e aprendizagem, recebendo como contrapartida do sistema informações dinâmicas e resultados de análises e inferências realizadas pelo SAE com o objetivo de melhor subsidiar a ação de cada um no processo que almeja, como principal resultado, a aprendizagem de cada estudante. A participação de outros perfis humanos, como usuários do STI, promove certo avanço em sua arquitetura e no fornecimento de novas funcionalidades ao sucesso do processo educacional, classificando estas implementações como Intelligent Teaching Assistant (YACEF, 2002).

7 7 Este tipo de implementação, realizada no projeto SAE está representada na Figura 1 e será chamada de AVEI (Assistente Virtual de Ensino Inteligente) nesta proposta, que consiste em um STI que realiza tarefas mais simples, trabalhando sobre modelos não tão complexos em sua arquitetura. No entanto, sua tecnologia fornece orientação individual aos estudantes, bem como assistência aos docentes participantes desse processo educacional, devendo ambos, os agentes humanos e o assistente virtual, serem dirigidos pela metodologia escolhida pelo docente. Figura 1 Representação da arquitetura modular do AVEI A arquitetura modular do AVEI indica a preocupação de seus pesquisadores com a elaboração de softwares que apoiem o processo de ensino e aprendizagem, coerentemente, atendendo as necessidades dos aprendizes e seus professores nas atividades letivas. Essa consciência tem incluído o docente como participante na criação do AVEI, além de torná-lo usuário que colabora com a modelagem do estudante e recebe assistência complementar a sua conduta como mediador no processo de aprendizagem (YACEF, 2005). No âmbito educacional, a TAS é voltada à aprendizagem que respeita o conhecimento já estabelecido na estrutura cognitiva do estudante e trabalha

8 8 sua evolução de forma personalizada e significativa ao momento em que se encontra cada aprendiz (AUSUBEL, 2000). Essa combinação entre TAS e AVEI no SAE procura promover o ensino e a aprendizagem utilizando conhecimento proveniente de outras áreas, tais como a Inteligência Artificial e a Psicologia Educacional. Isso tudo, na expectativa de detectar o que, como e quando ensinar seus aprendizes de maneira adequada para uma aprendizagem mais eficiente e personalizada. Para isso, o acompanhamento realizado pelo SAE acontece sobre atividades efetuadas pelos aprendizes nos ambientes virtuais assistidos pelo módulo de controle do SAE. As visitas presenciais ou à distância na monitoria, assim como a participação em fóruns e chats promovidos para aprendizagem de um conteúdo disciplinar, também interferem na inferência que este assistente realiza sobre o estado cognitivo de um estudante em cada conceito que compõe um conteúdo a ser assimilado (o SAE analisa a situação de aprendizagem em cada item ou tópico do conteúdo disciplinar de maneira individualizada). Empregando a Lógica Fuzzy (NICOLLETI, 2004), nesse processo de inferência, o SAE analisa duas variáveis linguísticas no mínimo (esforço e desempenho) para identificar se a aprendizagem sobre cada conceito, que constitui um conteúdo disciplinar, está satisfatória, fornecendo orientação pedagógica que promova o aprendiz ao estudo do próximo conceito da disciplina em questão. Caso contrário, a situação estará insatisfatória à expectativa de assimilação compartilhada pelos professores da disciplina, e conforme a apuração de suas variáveis linguísticas este AVEI fornecerá orientações fundamentadas na TAS para superação das possíveis dificuldades que o estudante esteja tendo em sua aprendizagem. Nesta nova proposta a metodologia educacional que guiará a orientação do SAE fornecida aos estudantes poderá ser diferente as concepções da TAS, conforme seja definido pelo docente responsável pela disciplina (orientação condizente com a metodologia escolhida pelo docente).

9 9 Apesar do reconhecimento da metodologia educacional proveniente da TAS, sua aplicação pode não ser coerente a alguns conteúdos e objetivos pedagógicos de determinadas disciplinas. Por exemplo: conteúdos que almejam somente a memorização de seus aprendizes poderão empregar outras metodologias mais específicas a esta necessidade. Sendo assim, estes aprendizes não obteriam orientações adequadas do SAE, pois este AVEI não conseguiria trabalhar com realidades metodológicas diferentes entre conteúdos que necessitam de posturas pedagógicas diversificadas as concepções fundamentais da TAS. Uma dificuldade tradicional na adoção mais ampla deste tipo de software educacional por docentes é a sua implementação possuir somente uma estratégia pedagógica. Quando esta estratégia não é a mesma adotada pelo docente, geralmente, este abdica de seu uso (VICARRI, 2003). Diante dessa situação, a equipe do SAE está submetendo esta proposta que almeja trabalhar na arquitetura desse AVEI para que ele possa atender aos anseios pedagógicos de cada conteúdo disciplinar. Isso possibilitará que o acompanhamento do estado cognitivo de cada aprendiz produza uma inferência coerente a sua realidade e forneça a orientação mais condizente com os objetivos pedagógicos de uma disciplina, sintonizando a conduta do assistente SAE, com a do docente e demais colaboradores (monitores e diretores) que possam contribuir para que essa aprendizagem se torne satisfatória. Esta nova possibilidade no projeto SAE ampliará seus aspectos de assistência ao processo de ensino e da aprendizagem e romperá com limites tradicionais no desenvolvimento deste tipo de software educacional. Geralmente, os STI/AVEI são elaborados para atender as necessidades de domínios específicos, contendo somente uma abordagem metodológica em sua implementação. Essa nova situação ainda colaborará na disseminação desta tecnologia no meio educacional, pois tornará possível aos docentes o uso de um volume maior de metodologias que poderão ser assistidas pelo SAE, e, provavelmente, aumentará a extensão das posturas coincidentes entre

10 10 as metodologias já adotadas pelos docentes em uma disciplina e as suportadas pelo SAE. Essa realidade propiciará maior confiança ao docente na combinação da metodologia educacional com a tecnologia do SAE, que fornecerá novos dados complementares aos apurados regularmente pelo professor, além do uso de novos recursos interativos e da facilidade para o acompanhamento personalizado da situação cognitiva dos aprendizes. Esta inovação no SAE será decorrente de uma nova modelagem em sua base de conhecimento, permitindo a maior aderência entre os recursos interativos acompanhados por este AVEI e os metadados relacionados às definições dos conteúdos que permitem o raciocínio mais apurado deste assistente virtual em relação às possíveis metodologias que direcionarão as orientações pedagógicas fornecidas aos seus estudantes. 4. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO A metodologia que será adotada por este projeto envolverá o modelo de desenvolvimento Iterativo e Incremental, sendo sua proposta sintetizada a seguir. Este modelo consiste em realizações parciais, onde o primeiro incremento satisfaz os requisitos básicos. Após isso, outros incrementos com novas implementações vão sendo realizadas, de acordo com a necessidade, até que sejam atendidos todos os requisitos, alcançando um resultado satisfatório ao longo do período de vigência do projeto que está sendo proposto neste edital (PRESSMAN, 2011). As principais fases que contemplam este modelo são Requisitos, Análise de Requisitos, Projeto, Implementação e Testes, além da Implantação, que neste projeto também terá a característica de disponibilização pública pelo Portal do Software Público Brasileiro (PSPB). As principais iterações a serem realizadas durante este projeto são: Primeira iteração: realizar estudos e pesquisas coerentes com o entendimento das necessidades de evolução no Sistema Tutor

11 11 Inteligente SAE para assimilar novas metodologias educacionais, elicitação dos requisitos, entendimento do processo de negócio atual e a inovação proposta pela combinação do SAE com novas metodologias educacionais; Segunda iteração: análise de tudo que foi levantado como requisito, com aprofundamento no estudo da implementação existente no SAE e das concepções e aplicações da Teoria da Aprendizagem Significativa aliada a Lógica Fuzzy, além da tecnologia utilizada na implementação desse Sistema Tutor Inteligente (SAE) e geração da documentação pertinente ao seu desenvolvimento evolutivo durante este projeto vinculado ao edital 001/2017 do CEAD, na UnB; Terceira iteração: elaboração do plano de ação das evoluções e adaptações necessárias no SAE e a definição de suas novas regras de negócio e de interface que serão implementadas para incorporação de novas metodologias educacionais a serem assistidas por este Sistema Tutor Inteligente (SAE); Quarta iteração: desenvolvimento dos requisitos analisados que serão testados até que se alcance o objetivo do projeto com segurança e respeitando o período de vigência do referido edital do CEAD da UnB; Quinta iteração: implantação da nova solução no ambiente educacional de produção para o uso contínuo das instituições de ensino e docentes interessados no processo de aprendizagem personalizado e assistido por tecnologias de assistência inteligentes, além de sua disponibilização pública no PSPB, gerido pelo Ministério do Planejamento, Desenvolvimento e Gestão (MP). De acordo com as exigências do edital 001/2017 do CEAD na UnB, uma nova atividade, que poderia ser considerada a sexta iteração, corresponderia à elaboração da documentação final do projeto (relatórios parcial e final, além de possíveis publicações científicas que poderiam vir a acontecer durante a vigência do projeto).

12 12 A realização deste projeto acontecerá de acordo com o modelo Iterativo e Incremental, sendo pesquisados e analisados os trabalhos correlatos ao seu contexto de pesquisa e relacionados com o direcionamento necessário as características pertinentes a cada uma das áreas de conhecimento e níveis de ensino nacionais envolvidos. Este projeto prevê a realização de experimentos com a aplicação do novo SAE em ambiente real de ensino, empregando a metodologia de pesquisa de Estudo de Caso sobre os experimentos realizados em níveis de ensino diferentes (extensão e superior). Este método permite uma análise abrangente sobre um número pequeno de elementos, pois consiste em "um estudo empírico que investiga um fenômeno atual dentro do seu contexto de realidade" (YIN, 2004, p.32). A realização de pesquisas sobre os resultados obtidos nos experimentos deve empregar mais que um instrumento de coleta de dados, a fim de consolidar a veracidade dos resultados alcançados nesses experimentos. No Estudo de Caso este princípio básico corresponde a uma característica fundamental em sua utilização, sendo previsto neste projeto a aplicação das técnicas de i) Entrevistas ou Depoimentos pessoais; ii) Questionários; iii) Artefatos físicos ou de infraestrutura; iv) Observações espontâneas ou participativas. Este projeto possibilitará o uso investigativo dessas técnicas, além da utilização de outros instrumentos e recursos que sejam coerentes com a aprendizagem de determinados conteúdos em suas respectivas áreas de conhecimento. O desenvolvimento desta proposta priorizará o uso de tecnologias livres (free), respeitando as concepções iniciais do projeto SAE, a fim de minimizar seus custos de produção e possibilitar sua posterior disponibilização no PSPB. 5. PRODUTOS A SEREM DESENVOLVIDOS A principal meta almejada por este projeto consiste na elaboração de uma nova proposta que combine recursos humanos e tecnológicos (virtual)

13 13 para atender às novas características da educação mais autônoma e interativa, envolvendo recursos tecnológicos inteligentes capazes de acompanhar cada estudante individualmente, lhes fornecendo orientação pedagógica adequada em tempo real, conforme apuração efetuada pelo assistente de ensino virtual (SAE) sobre o estado cognitivo de cada aprendiz, aliado as apurações e indicações docentes armazenadas no SAE, além de fornecer um conjunto de informações seguras ao suporte necessário às possíveis tomadas de decisões dos responsáveis pelo processo educacional (docentes e diretores) de instituições de ensino que busquem a aprendizagem de seus estudantes como principal indicador de sucesso. Assim, o Sistema de Apoio Educacional (SAE) passará a fornecer apoio tecnológico a uma variedade ainda maior de metodologias educacionais que sejam propicias aos docentes das diversas áreas de conhecimento, atendendo as suas características inerentes de cada área e fornecendo apoio estratégico ao acompanhamento personalizado do estado cognitivo de cada estudante durante todo seu processo de aprendizagem na área escolhida para sua formação. Além do próprio software educacional SAE, com suas inovações implementadas por este projeto, a melhor formação dos bolsistas discentes que participarem deste projeto também podem ser considerados resultados do projeto, assim como as publicações científicas que sejam provenientes dos experimentos realizados durante a vigência do projeto em parceria com o CEAD. 6. RESULTADOS ESPERADOS O estudo e a pesquisa sobre a tecnologia dos Sistemas Tutores Inteligentes e suas propostas mais modernas, que são classificadas como Assistentes Virtuais de Ensino Inteligente, promoverão a evolução do Sistema de Apoio Educacional (SAE) que passará a fornecer apoio tecnológico a mais metodologias educacionais além daquelas que fazem parte da concepção do projeto SAE. Dessa forma, vários docentes serão melhor atendidos com a tecnologia se mantendo sincronizada a metodologia adotada pelo professor, fornecendo maior segurança e conforto a sua prática docente. O aumento da

14 14 interação e a personalização do processo educacional junto ao discente fornecerá um ambiente de estudo e orientação pedagógica condizente com o seu ritmo e a sua disponibilidade de tempo para os estudos, melhorando assim a qualidade desse processo em qualquer modalidade de ensino que envolva a rede mundial de computadores em suas atividades. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUSUBEL, D. P. The acquisition and retention of knowledge: A cognitive view. Dordrecht: Kluwer Academic, AUSUBEL, D. P.; NOVAK, J. D.; HANESIAN, H.Psicologia Educacional. Rio de Janeiro: Interamericana, NICOLLETI, M. C.; CAMARGO, H. A. Fundamentos da Teoria de Conjuntos Fuzzy. São Carlos: EdUFSCar, PRESSMAN, R. S. Engenharia de Software: Uma abordagem profissional. 7a ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, PSOTKA, J.; MASSEY, L. D.; MUTTER, S. Intelligent tutoring systems: lessons learned. Hillsdale, NJ: Erlbaum, RISSOLI, V. R. V.; SANTOS, G. A. Um Assistente Inteligente Fuzzy no Acompanhamento da Aprendizagem Significativa. In: Encontro Nacional de Inteligência Artificial, CSBC, Natal: SBC, v. 31. RISSOLI, V. R. V.; GIRAFFA, L. M. M.; BARONE, D. A. C. Uma Proposta de Aplicação de Lógica Fuzzy para Modelagem do Processo de Raciocínio de um Assistente Virtual. In: Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, São Paulo: SBC, 2007a.p RISSOLI, V. R. V. Uma proposta metodológica de acompanhamento personalizado para aprendizagem significativa apoiada por um assistente virtual de ensino inteligente. 2007b. Tese (Informática na Educação) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. VICCARI, R. M.; GIRAFFA, L. M. M. Fundamentos dos Sistemas Tutores Inteligentes. In: Barone, D. (Org.). Sociedades Artificiais. Porto Alegre: Bookman. p SAE - Sistema de Apoio Educacional. Disponível em < Acesso em: 12 jun YACEF, K. The Logic-ITA in the classroom: a medium scale experiment. International Journal on Artificial Intelligence in Education v.15, p YACEF, K. Intelligent Teaching Assistant Systems. In: International Conference on Computers in Education, New Zeland: IEEE, v. 1, p YIN, R. K. Estudo de caso: planejamento e métodos. 3a ed. Porto Alegre: Bookman, 2004.