CENTRO UNIVERSITÁRIO UNISEB COC TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO BACHARELADO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO UNISEB COC TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO BACHARELADO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO SISTEMA WEB ACOPLADO A EXPERIÊNCIAS FÍSICAS NO PROJETO WEBLAB Marcos de Oliveira Alves Orientadora: Profa. Dra. Galina Borissevitch RIBEIRÃO PRETO 2011

2 MARCOS DE OLIVEIRA ALVES SISTEMA WEB ACOPLADO A EXPERIÊNCIAS FÍSICAS NO PROJETO WEBLAB Trabalho de conclusão de curso apresentado ao UniSEB COC de Ribeirão Preto, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Computação. Orientadora: Profa. Dra. Galina Borissevitch RIBEIRÃO PRETO 2011

3 TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Aluno: Marcos de Oliveira Alves Código: 4895 Curso: Engenharia de Computação Semestre/Ano: 9º/2011 Tema: Sistema Web Acoplado a Experiências Físicas no WebLab. Objetivos pretendidos: Está previsto o desenvolvimento de um software Web capaz de controlar e monitorar um experimento de Física a distância, através da Internet 2. / / Profa. Dra. Galina Borissevitch Professor Orientador / / Marcos de Oliveira Alves Aluno / / Prof. Me. Paulo César de Carvalho Dias Coordenador do Curso / / Prof. Reginaldo Arthus Vice-Reitor

4 TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO FORMULÁRIO DE AVALIAÇÃO Tema do trabalho: Sistema Web Acoplado a Experiências Físicas no Projeto WebLab. Data da apresentação: / / Horário: Local: Comissão Julgadora: 1) Professor Orientador: 2) Professor da Área: 3) Professor Convidado:

5 Folha de Pontuação Fatores de Avaliação Pontuação (0.0 a 2.0) 1. Atualidade e relevância do tema proposto. 2. Linguagem técnica utilizada em relação ao tema e aos objetivos, e competência lingüística. 3. Aspectos metodológicos e formais da editoração do trabalho escrito - seqüência lógica e coerência interna. 4. Revisão Bibliográfica realizada em relação ao tema pesquisado. 5. Apresentação oral segurança e coerência em relação ao trabalho escrito. Média: ( ) Assinaturas dos membros da Comissão Julgadora: 1) / / 2) / / 3) / /

6 A minha amada e dedicada esposa, Lucimara, aos meus amados filhos, Gustavo e Bruno e aos meus queridos e amados pais, Irany e Sebastião, dedico este Trabalho.

7 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus por me ajudar a superar todos os desafios destes anos de estudo e trabalhos intensos. A minha esposa Lucimara e meus filhos Gustavo e Bruno que me apoiaram nos momentos mais difíceis, aos meus pais Irany e Sebastião que me deram suporte e educação, me ensinaram que o estudo abre portas para a vida. Ao Centro Universitário UNISEB COC de Ribeirão Preto, a todos os funcionários e professores que seja de forma indireta ou direta contribuíram para meu desenvolvimento na vida acadêmica. Agradeço especialmente meus professores do Curso de Engenharia de Computação que me ensinaram as disciplinas mais complicadas da minha vida, com tranqüilidade e paciência. Agradeço principalmente minha orientadora, a Profa. Dra. Galina Borissevitch pela disposição e dedicação ao ensino e pesquisa, um exemplo de pessoa. Foi ela quem me ensinou organizar meu tempo para que eu pudesse elaborar este trabalho, sempre me cobrando para que eu me tornasse um aluno melhor, que apesar das minhas inúmeras dificuldades pessoais e familiares, que passei durante a graduação, nunca desistiu do meu potencial e sempre acreditou neste trabalho. Ao meu co-orientador Prof. Me. Reginaldo Gotardo, quem me mostrou o caminho na elaboração das pesquisas nas tecnologias WEB empregadas neste trabalho.

8 Uma vida sem desafios não vale a pena ser vivida. Sócrates

9 RESUMO Está previsto o desenvolvimento de um software Web capaz de controlar e monitorar um experimento de Física à distância, através da Internet 2. Os cursos de Engenharias e/ou Exatas possuem na sua grade curricular a disciplina Física qual inclui além de aulas teóricas as de laboratório. O projeto visa auxiliar aos estes alunos e também aqueles que não podem realizar um curso presencial, por motivo de doença (crônica ou temporária), problemas de locomoção a grandes distâncias, deficiência física, entre outros. Estamos aplicando as tecnologias Web: Java, SGDB (Sistema Gerenciador de Banco de Dados) MySQL, Apache Tomcat para a construção de um sistema de controle e monitoramento das experiências de Física para que alunos e professores possam fazer os experimentos remotamente. O sistema deverá ser instalado ao computador (servidor Web) que controlará a experiência no laboratório de Física. Palavras-chave: Weblab, Ensino à Distância, Automação, Programação Web.

10 ABSTRACT It is planned to develop Web software capable of remote controlling and monitoring an experiment in physics via Internet 2. Engineering and/ou Exact courses possess Physics in their Curriculum where in addition to lectures various experiments have to be performed in the laboratory. The project is aimed to help both these students and those who can not make a classroom course, due to a disease (chronic or temporary), problems in locomotion over long distances, physical disabilities, etc. To solve the problem we are applying Web technologies, such as Java technology, DBMS (System Manager Database) MySQL, Apache Tomcat to create a system of remote control and monitoring physics experiments. The system should be installed in a computer (Web server) which controls experiments in a physics laboratory. Keywords: Weblab, Distant Education, Automation, Web Programming

11 SUMÁRIO INTRODUÇÃO O DESENVOLVIMENTO DE APLICAÕES WEB PARA O EAD CONSIDERAÇÕES INICIAIS ÁREAS DE INTERESSE EM EAD MODELOS DE EAD FERRAMENTAS PARA EAD BlackBoard Learning System AVA (Ambiente Virtual de Aprendizagem) Moodle TelEduc AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS E EAD CONSIDERAÇÕES FINAIS APLICAÇÕES DE AUTOMAÇÃO PARA USO EM LABORATÓRIOS REMOTOS CONSIDERAÇÕES INICIAIS LABORATÓRIOS REMOTOS Laboratórios Remotos Baseados em Simulação Laboratórios Remotos Reais Laboratório para Processamento Digital de Sinais Baseado em Web CONSIDERAÇÕES FINAIS TECNOLOGIAS DE DESENVOLVIMENTO WEB E SEU USO NA AUTOMATIZAÇÃO REMOTA CONSIDERAÇÕES INICIAIS LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO WEB APLICAÇÕES WEB O WRAPPER JNI (JAVA NATIVE INTERFACE) CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:... 31

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS EAD Ensino a Distância ABED Associação Brasileira de Ensino a Distância PHP um acrônimo recursivo para "PHP: Hypertext Preprocessor" DBMS Database Management System (Sistema Gerenciador de Banco de Dados) SQL Structured Query Language ou Linguagem de Consulta Estruturada JAVA Linguagem e Plataforma de Programação TCP/IP TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controle de Transmissão) e IP (Internet Protocol - Protocolo de Interconexão). LED Light Emitting Diodes PDS Processamento Digital de Sinais

13 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO A.V.A. DO UNISEB COC... 7 FIGURA 2 - TELA DO A.V.A UNISEB COC... 7 FIGURA 3 O AMBIENTE MOODLE NA USP... 9 FIGURA 4 - TELA DO TELEEDUC USADO NA UNICAMP FIGURA 5 - GRADUAÇÃO EM PEDAGOGIA (EAD) DA UNICID FIGURA 6: ESQUEMA BÁSICO DE UM WEBLAB REMOTO FIGURA 7 LABORATÓRIO PARA PDS BASEADO EM WEB FIGURA 8 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE UMA APLICAÇÃO WEB FIGURA 9 - MODELO DE APLICAÇÃO WEB DE 3 CAMADAS FIGURA 10 - JNI - JAVA NATIVE INTERFACE FIGURA 11 - CÓDIGO EXEMPLO DA INTERFACE EM JSP PARA CONTRONTROLE DE LEDS FIGURA 12- CÓDIGO DO SERVLET USADO PARA CONTROLAR OS LEDS FIGURA 13- CÓDIGO DO SERVLET USADO PARA CONTROLAR OS LEDS (CONTINUAÇÃO) FIGURA 14 - ARQUIVO WEB.XML USADO PARA MAPEAR O JSP AO SERVLET FIGURA 15 - ESQUEMA SIMPLIFICADO DO CIRCUITO DOS LEDS FIGURA 16 - INTERFACE WEB DE CONTROLE DE LEDS FIGURA 17 - LEDS ACESSOS VIA WEB FIGURA 18 - INTERFACE CONECTADA NA PORTA PARALELA DO COMPUTADOR (SERVIDOR)... 29

14 INTRODUÇÃO O foco deste Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) consiste em desenvolvimento de um software Web acoplado a uma experiência em mecânica, para que os experimentos da disciplina de Física Experimental possam ser aplicados aos cursos de exatas e engenharias no Ensino a Distância (EAD). Este trabalho foi incentivado pelo projeto WebLab-Kyatera apoiado pela FAPESP. Segundo Moran (2011) 1 o EAD é um processo de ensino-aprendizagem, onde diversas tecnologias estão utilizadas para fazer a conexão entre alunos e professores. É uma forma de ensino e aprendizagem onde alunos e professores estão separados fisicamente, ou seja, não estão em uma mesma sala de aula, mas podem estar conectados por tecnologias telemáticas, como a Internet, correio, rádio, televisão, vídeo, CD-ROM, telefone, e outros meios semelhantes. Atualmente há um constante aumento na demanda do EAD. Podemos ver que a cada dia mais instituições de ensino, sejam de Ensino Técnico ou Ensino Superior, optam por incluí-lo em seu corpo curricular, pelo grande número de pessoas que podem estudar sem a necessidade de se fazer uma reestruturação nas instalações físicas. No Centro Universitário UNISEB-COC, onde o projeto está sendo desenvolvido, hoje existem em média 5000 alunos por curso em uma rede que possui 150 pontos espalhados pelo todo o Brasil. Segundo Piconez (2003) 2, o advento do EAD deve-se em parte à maior facilidade no acesso remoto a outros computadores e à melhoria considerando as tecnologias de redes para acesso a Internet, tendo estas atingindo velocidades mais altas, além do barateamento do serviço que está disponível hoje em várias instituições de ensino. Dessa forma, é possível concluir que muitos estudos e trabalhos feitos hoje de maneira presencial podem ser executados de qualquer lugar distante de modo remoto num regime de tempo real. É nesse contexto que está o projeto WebLab-Kyatera 3, que tem por objetivo proporcionar a interação remota entre um experimento científico (de ensino) e um usuário (pesquisador ou aluno). Conseqüentemente, o desenvolvimento de um Software Web que controlasse experiências de física, que é o tema deste trabalho, poderia contribuir para o crescimento e maior abrangência do EAD. 1 Disponível em: < acesso em: 25/05/ PICONEZ, S. C. B. Introdução à Educação a Distância: os novos desafios da virtualidade. Portal do Núcleo de Estudos de Eja e Formação de Professores Disponível em: < Introdução%20a%20EaD.pdf>. Acesso em: 01/06/ Disponível em: < acesso em: 19/06/2010.

15 O projeto WebLab-Kyatera consiste na automatização de experimentos de laboratório para que estes sejam adaptados, monitorados e controlados remotamente. O projeto ainda prevê a utilização de uma rede de alta velocidade para efetuar tais experiências com grande interatividade e precisão em tempo real. Efetuar experiências é algo crucial para sedimentar o aprendizado em disciplinas exatas e engenharias. Neste ponto, quando o assunto é Ensino a Distância (EAD), perde-se a capacidade de interação presencial com experimentos. Por isso, automatizar um experimento é fundamental para um bom aproveitamento de estudos teóricos. Dessa forma, o estudo com uso desses métodos pode apresentar a mesma eficiência, como a do presencial (POTASHNIK; CAPER, 1998) 1. Levando esses fatores em consideração, percebe-se a necessidade de automatizar algumas experiências, nos cursos de exatas e engenharias, que possuem na sua grade curricular a disciplina Física Experimental e esta é composta por experimentos a serem realizados em laboratório. Isso significa um retrocesso no conceito de Ensino a Distancia, já que o aluno necessita ir até o ambiente físico da instituição para realizar estes experimentos, pois sem realização destes experimentos, seu aprendizado se tornaria deficitário. Está previsto o desenvolvimento de um circuito eletrônico que servirá como a interface entre o computador servidor e a experiência acoplada para fazer que ela esteja disponível aos usuários remotos de cursos de Ciências Exatas e Engenharias. Também será desenvolvido o cadastro dos usuários em banco de dados através de uma interface remota por meio da Internet onde eles poderão monitorar até visualmente o experimento de física à distância por uma WebCam com possibilidade de interagir com o monitor (pessoa responsável por acompanhar o experimento no local). 1 POTASHNIK, M.; CAPPER, J. Distance education: growth and diversity. Finance & development, Washington, p.42-45, mar Disponível em: < acesso em 16/05/2010.

16 1 O DESENVOLVIMENTO DE APLICAÕES WEB PARA O EAD 1.1 Considerações Iniciais O primeiro capítulo irá apresentar um breve levantamento sobre as áreas de interesse correlatas a esse projeto, considerando o âmbito de Ensino a Distância (EAD). Nesse contexto, são mostrados e explicados alguns modelos de EAD existentes, exemplos de ferramentas atuais disponíveis no mercado, com suas características e funcionalidades. 1.2 Áreas de interesse em EAD A importância do EAD tem sido cada vez maior no Brasil. De acordo com o Anuário Brasileiro Estatístico de Educação Aberta e a Distância 1 (ABRAEAD/2007), o Brasil teve, em 2006, 2,279 milhões de alunos matriculados em vários tipos de cursos à distância, tendo um aumento de 91% do número de alunos matriculados nessa modalidade de ensino. Devido a esse crescente interesse nos cursos à distância, a variedade de cursos também aumentou, totalizando, em 2006, mais de 800 cursos diferentes, tanto de ensino superior, como técnicos, de aperfeiçoamento, entre outros. Mesmo com o grande número de cursos, alguns deles são mais difíceis de serem efetuados de maneira não presencial. Cursos da área de humanidades possuem uma maior acessibilidade, pois possuem um conteúdo teórico muito grande, onde o aluno pode estudar fazendo uso de textos, vídeos e dispositivos semelhantes. Tais dispositivos podem ser facilmente enviados para o aluno, pela Internet, por exemplo, sem perda de conteúdo. Cursos em outras áreas, como em ciências exatas e/ou engenharias, possuem algumas dificuldades extras quando o assunto é EAD. Pode-se usar como exemplo o curso de Bacharelado em Física. Neste caso existem algumas disciplinas, como a física experimental, que demandam a presença física do aluno em laboratórios além da leitura de textos teóricos e resolução de exercícios. Por melhor que seja o texto ou mesmo uma simulação em vídeo do assunto, nada substitui a presença do aluno frente a uma experiência, considerando a possibilidade de modificar os parâmetros do processo sob estudo e visualizar o experimento de vários ângulos diferentes, quantas vezes forem necessárias. Na Universidade de Uberaba 2 (UniUbe) é possível fazer o curso de Engenharia de Computação na modalidade EAD, porém, as disciplinas que requerem uso de laboratórios são ainda feitas de maneira 1 Disponível em: Acesso em: 10/06/ Disponível em: Acesso em: 12/06/2010.

17 presencial, o que pode causar dificuldades para estudantes que possivelmente moram muito longe do local dos laboratórios. Assim, como em ciências exatas, as áreas de ciências biológicas também requerem maior participação presencial do aluno, em estudos de anatomia, de física, de química, entre outros. Considerando esse cenário, percebe-se a necessidade de investimento em automação remota das experiências em laboratório e na sua viabilização para os alunos. 1.3 Modelos de EAD Devido ao advento de novas tecnologias, a evolução da Internet e a maior facilidade no acesso a novas ferramentas tecnológicas, o EAD torna-se cada vez mais praticável, fornecendo mais uma opção de transmissão de conhecimento. O ensino pode ser aplicado de acordo com três sistemas já existentes (PIMENTEL; ANDRADE, 2004): Pode ser feito de maneira presencial, onde o professor está totalmente presente durante a aplicação do conteúdo, contando com o auxílio de livros-textos. Pode ser efetuado inteiramente à distância, com possibilidade de eventuais encontros presenciais. Nesse sistema, o curso é ministrado sem a presença física do professor junto ao aluno, com utilização de aulas em vídeo, tutoriais em rede, entre outras. Pode ser ministrado de maneira mista, com aulas presenciais, mas com o auxilio de ferramentas não-presenciais. A Internet pode ser usada para discussões sobre assuntos referentes à aula. A educação mista pode ser também considerada quando o ensino ocorre parcialmente de maneira presencial ou mesmo quando ocorrem poucos encontros presenciais. De acordo com Pimentel e Andrade (2004) pode-se dividir o EAD em alguns modelos: Difusão: modelo que consiste em envio de informações do professor direto ao aluno, sem nenhuma interação entre eles, como ocorre em aulas vídeo televisionadas e tutoriais, por exemplo. Tutoria: é quando há certa interação entre aluno e professor, porém, a exposição do conteúdo é predominante, contendo alguma possibilidade de envio de dúvidas do aluno ao professor; contudo, não em tempo real. Moderação: neste caso existe grande interação havendo envio e recebimento mais constante de informações por parte do aluno e de maneira equilibrada com relação ao professor, como em aulas particulares.

18 Orientação: a comunicação é feita predominantemente do aluno para o professor, para resolução de dúvidas e orientação em pesquisas. Participação: neste modelo pode ser seguido qualquer dos citados anteriormente, mas existe incentivo a uma interação entre os alunos, para discussão de conteúdos ou debates. Cooperação: favorece a troca de informações entre os alunos, sem que seja determinado ou mesmo delimitado o professor propriamente dito. Segundo esse modelo, todos participam do aprendizado em um grupo de discussões expondo o que cada um entende sobre o assunto. Auto-instrução: neste modelo o aluno é quem deve pesquisar o conteúdo, organizar estratégias de estudo e definir seus próprios objetivos, de acordo com suas necessidades. Este modelo é comum no trabalho de cientistas e na efetuação de pesquisas. Nota-se que nos modelos de EAD usados atualmente nos cursos de Ciências Exatas e Engenharia não é possível fazer o curso 100% à distância, pois há a necessidade de fazer aulas práticas. 1.4 Ferramentas para EAD Existem muitas ferramentas para EAD, também chamadas de Sistemas de Gerenciamento, disponíveis para uso, tanto gratuitamente quanto de maneira paga. A Associação Brasileira de Ensino a Distância (ABED) disponibiliza uma lista 1 de algumas das ferramentas mais utilizadas atualmente, bem como o endereço de cada uma delas onde podem ser encontradas suas características e funcionalidades. Devido ao grande número de ferramentas disponíveis, não é viável citar todas. Dentre elas, foram escolhidas algumas das mais importantes, que tem maior abrangência no seu uso, e melhor aceitação pelo público. Outro fator importante na decisão foi utilização dessas ferramentas em algumas instituições, em particular. O BlackBoard, por exemplo, é um modelo de EAD que foi utilizado pelo Centro Universitário UNISEB COC, atualmente através do UNISEB INTERATIVO foi desenvolvido sua ferramenta própria o AVA (Ambiente Virtual de Aprendizado). Já o TelEduc foi concebido pela Unicamp. O Moodle é uma das plataformas mais usadas hoje, por ser um software gratuito e configurável, é utilizada em algumas unidades da Universidade de São Paulo (USP). Por esses motivos, houve a necessidade da divisão desse item em alguns subitens, onde cada um deles explicará de maneira mais detalhada cada uma das ferramentas escolhidas como mais relevantes. 1 Disponível em: Acesso em: 20/06/2010

19 1.4.1 BlackBoard Learning System 1 A ferramenta BlackBoard é um pacote de programas desenvolvido pela BlackBoard Inc., com a finalidade de auxiliar no aprendizado online. É um software proprietário; portanto para sua utilização é necessário que se adquira uma licença de uso que deve ser renovada regularmente. O BlackBoard possui funcionalidades, tais como: Ferramentas de conteúdo, que é composto por aulas, lição de casa, material de apoio e bibliografia; Ferramentas de comunicação, composta por chat, e fórum; Ferramentas de apoio ao aluno, que auxiliam no aprendizado do aluno através de atividades específicas de ensino, como painel de discussão e sala de aula virtual; Uma ferramenta de colaboração, qual é composta por projetos em grupo, trabalhos, boletins de notas e painel de controle de desempenho AVA 2 (Ambiente Virtual de Aprendizagem) No AVA (Figura 1) cada aula conta com a presença de dois, ou mais, professores alocados no estúdio do polo central e um professor-tutor alocado em cada polo presencial. O primeiro é o titular, professor responsável pela disciplina, pela dinâmica da aula e transmissão do conteúdo. O segundo dá suporte e auxilia no recebimento de dúvidas que são esclarecidas no decorrer das explicações. Todos os alunos recebem um material didático, produzido pelos professores. Esse material deve acompanhá-los em todas as aulas, pois será utilizado em diversos momentos propostos pelo professor. As aulas presenciais acontecem uma vez por semana e a frequência mínima do aluno deve ser de 75%. Na Figura 2 é possível ver a tela do Aluno On Line, ambiente do AVA do Centro Universitário UniSEB COC. 1 Disponível em: Acesso em: 15/06/ Disponível em: Acesso em 15/05/2011.

20 Figura 1 - Esquema de funcionamento do A.V.A. do UNISEB COC Figura 2 - Tela do A.V.A UNISEB COC

21 1.4.3 Moodle 1 O Moodle (Modular Object Oriented Dynamic Learning), desenvolvido por Martin Dougiamas 2, é um pacote de programas fornecido gratuitamente como open source, sob a GNU General Public License 3,sendo assim protegido por direitos autorais, que permitem sua cópia e modificação desde que seu código fonte seja distribuído gratuitamente junto com o programa. O Moodle pode ser instalado em qualquer computador que tenha suporte a linguagem PHP bem como suporte a uma base de dados baseada em SQL. Além disso, pode ser executado em computadores que possuam Windows, Linux ou MAC OS. O Moodle (Figura 3) possui as funcionalidades de um ambiente virtual de ensino, fazendo uso de fóruns de discussão e salas de bate papo para a comunicação entre os participantes, disponibilização de materiais e tarefas aos alunos e o envio de arquivos de documento, apresentações, sons, entre outros; bem como a capacidade de manipular conteúdos de páginas de Internet externas. Também permite a avaliação dos alunos por parceiros, onde o professor administra e atribui nota às avaliações feitas, com vários critérios possíveis. Outra funcionalidade muito importante é a possibilidade de se criar questionários, de vários tipos, com respostas como verdadeiro e falso, alternativas, ou mesmo dissertativas, com a possibilidade de uso de imagens. 1 Disponível em: Acesso em 15/06/ Disponível em: Acesso em 15/06/ Disponível em: Acesso em: 16/06/2010.

22 Figura 3 O Ambiente Moodle na USP Por ser de acesso mais fácil e popular, a ferramenta Moodle é utilizada por várias instituições de ensino como a Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP), Universidade Federal da Bahia (UFBA), Universidade Federal do Paraná (UFPR), Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA), que disponibiliza inclusive o curso de Engenharia de Computação TelEduc 1 O TelEduc (Figura 4) é uma ferramenta criada com o intuito de formar professores para informática educativa, desenvolvido pelo Núcleo de Informática Aplicada a Educação da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Essa ferramenta é fornecida gratuitamente como open source (sob a GNU General Public License). Esta ferramenta apresenta características diferenciadas em relação a outros ambientes, pois esta foi projetada de acordo com as necessidades relatadas pelos seus usuários. Foi tomado o cuidado com alguns fatores como a facilidade de uso por pessoas não muito envolvidas com computação, a flexibilidade quanto a sua utilização e também, possui um conjunto selecionado de funcionalidades. Sendo assim, essa ferramenta se torna muito útil no contexto 1 Disponível em: Acesso em: 16/06/2010.

23 de EAD. Existe uma grande variedade de ferramentas para a comunicação como mural, portfólio, sala de bate papo, e grupo de discussões. Figura 4 - Tela do TeleEduc usado na Unicamp No TelEduc é possível gerar um aprendizado em qualquer domínio do conhecimento a partir de problemas disponibilizados através de materiais de apoio e/ou leitura, impressos ou mesmo através da Internet, por meio de textos, softwares ou referências. 1.5 Automação de Experimentos e EAD Das soluções apresentadas pode-se observar a constante preocupação com o aprendizado teórico do aluno. Tal fato é aceitável em cursos estritamente teóricos, como exemplo o curso de Pedagogia da Universidade da Cidade de São Paulo (UniCid) 1. Neste curso o ensino é somente feito de forma on-line com o uso de ambiente Web, DVDs, vídeos e troca de mensagens eletrônicas, substituindo assim a necessidade de presença física do aluno. Mas 1 Disponível em: 8Licenciatura%29. Acesso em: 15/05/2011.

24 neste caso é possível organizar o curso totalmente On-Line (Figura 5) pois o conteúdo é totalmente teórico, o que seria diferente em um curso com disciplinas que necessitassem de experimentos com atividades práticas em laboratórios. Figura 5 - Graduação em Pedagogia (EAD) da UniCid Existem disciplinas de alguns cursos que ainda não tem possibilidade de serem substituídas ou mesmo removidas de ementas de cursos. Isso acontece em disciplinas como a de Física experimental, por exemplo. No curso de Engenharia Elétrica 1 da UNIUBE (Universidade de Uberaba), as experiências de laboratório são efetuadas presencialmente, fazendo com que o aluno tenha a necessidade de se deslocar à instituição de ensino para efetuar diversos experimentos. É por esse motivo, que existe a necessidade de automatizar os experimentos de laboratório, fazendo com que os cursos com necessidades como o citado acima possam ser totalmente não presenciais, promovendo economia tanto para instituição, como para o aluno que pode fazer o curso de qualquer localidade. Além disso, com a automatização de experimentos de 1 Disponível em: Acesso em: 20/05/2011.

25 laboratório, haverá maior controle e liberdade por parte do aluno sobre seus próprios horários de estudo e efetivação de experimentos. 1.6 Considerações Finais Neste capítulo foram contextualizados os princípios de EAD, expondo quais as áreas de interesse nessa área do conhecimento. Foram conceituados os modelos existentes de EAD, podendo-se concluir que os modelos de participação, cooperação e auto-instrução são os que melhor se encaixam no modelo de EAD aplicado atualmente. Foram apresentadas ferramentas, que possuem maior abrangência e representação no cenário nacional. Pode-se concluir que é necessário ampliar aplicações de novas tecnologias a fim de facilitar e viabilizar a realização de novos cursos na modalidade de EAD, aumentando assim as opções para os estudantes e proporcionando um maior desenvolvimento para a população.

26 2 APLICAÇÕES DE AUTOMAÇÃO PARA USO EM LABORATÓRIOS REMOTOS 2.1 Considerações iniciais No capítulo anterior citamos aplicações do Web usadas no EAD; agora vamos mostrar algumas aplicações usadas na Automação de Laboratórios Remotos e como estas podem ser aplicadas no EAD para ensino em cursos de Ciências Exatas e Engenharias. 2.2 Laboratórios remotos Atualmente diversos centros de pesquisa e universidades no mundo estão desenvolvendo projetos relacionados ao controle de instrumentos remotamente via rede Internet, e muitos com enfoque em EAD (MARCHEZAN; CHELLA; FERREIRA, 2004). Segundo PALADINI (2008) é percebido que pouco se faz para a efetiva criação de laboratórios remotos que sejam capazes efetivamente substituir os laboratórios presenciais para práticas existentes nas universidades. Isso é ruim porque não pode negar que a aprendizagem efetuada em laboratório e suas práticas são fundamentais para um bom currículo nas várias áreas. De acordo com GASPARETTI (2004), um laboratório remoto é composto por um conjunto de plataformas experimentais, quais permitem o acesso interativo de forma remota, ou seja, a possibilidade de acesso aos recursos à distância. A seguir vamos considerar alguns modelos de laboratórios de pesquisa e as tecnologias utilizadas Laboratórios Remotos Baseados em Simulação São laboratórios remotos virtuais que usam softwares de simulação. Na realidade eles simulam o ambiente de funcionamento de equipamentos que se encontram em um laboratório. O uso de simulação de laboratórios origina-se de necessidade diminuir o custo por usuário remoto. A simulação permite que determinada instituição simule elementos ou instrumentos em que seu custo de aquisição e manutenção seria elevado Laboratórios Remotos Reais Exemplos de softwares que podem ser usados em simulações são o Matlab, Mathematica, Simulink, LabView, etc. Entretanto, em alguns casos, a simulação pode falhar por não

27 apresentar os aspectos do mundo real. Isso faz o necessário de criar os laboratórios remotos que permitam ao aluno manejar instrumentos que ele utilizará em sua vida laboral em tempo real. O problema como foi dito, é que estes programas distanciam o aluno do hardware e dos equipamentos reais. Figura 6: Esquema básico de um WebLab Remoto

28 A partir do uso continuo de laboratórios virtuais e software de simulação cada vez mais realistas, mas que não usavam hardware acoplado, gerou-se a necessidade de controlar os hardwares e equipamentos modelados remotamente em diversas aplicações além do ensino a distância. Para solucionar este problema começaram a se desenvolver os laboratórios de pesquisa de acesso remoto ( Figura 6). Neste tipo de modelo o usuário acessa via TCP/IP os equipamentos, o hardware e os programas, e desta forma pode observar, controlar e modificar os parâmetros do seu experimento real e não simulado através de uma WebCam ou outro meio. Desta forma fico evidente que seria possível criar um ambiente que se assemelhasse a um laboratório presencial tradicional e que pode ser manuseado remotamente através da Internet Laboratório para Processamento Digital de Sinais Baseado em Web. Este é um exemplo de laboratório remoto desenvolvido na Uniservidade de Gênova na Itália, baseado na Web (Buschiazzo, Leoncini, Zunino, Scapolla, 2010) para prática com sistemas embarcados e em especial com a Processamento Digital Sinais. Este laboratório foi desenvolvido usando uma arquitetura orientada a serviços para garantir a flexibilidade e interoperabilidade com dispositivos eletrônicos. Além disso fornece aos usuários finais uma interface web diretamente acessível através da Internet com uso de técnicas de Web 2.0. Essa abordagem permite a criação de aplicações web complexas evitando a instalação qualquer plug-in nos navegadores dos usuários. Este laboratório remoto é integrado ao Moodle. Na Figura 7 podemos observadr o esquema deste laboratório:

29 Figura 7 Laboratório para PDS Baseado em WEB 2.3 Considerações Finais Neste trabalho pretendemos criar um modelo de Laboratório Remoto em Tempo Real para ensino em Física Experimental. Para isso vamos automatizar um experimento de Física para demonstrar o funcionamento de nosso projeto. Está em construção um circuito eletrônico acoplado a um Servidor Web, qual inicialmente se comunicara pela porta paralela, com a intenção no decorrer do projeto usar serial e chegar na posta USB, que é mais rápida e largamente utilizada nos computadores modernos. Para desenvolvimento do software que controlará este circuito e, através dele, uma experiência remota, pretendemos utilizar a plataforma de desenvolvimento Java. A escolha da plataforma Java bem como o uso de outras tecnologias neste projeto está argumentada no próximo capítulo.

30 3 TECNOLOGIAS DE DESENVOLVIMENTO WEB E SEU USO NA AUTOMATIZAÇÃO REMOTA 3.1 Considerações iniciais No capítulo anterior mostramos os modelos de laboratórios virtuais remotos mais utilizados, ou seja, os simulados e o remoto real. No segundo caso fica evidente que se trata de um modelo que faz o uso de controle e automatização sobre dispositivos e interfaces eletrônicas que poder ser usadas em laboratórios. A linguagem de programação escolhida para desenvilvimento deste trabalho precisa de um ambiente que possa ser de baixo custo, acessível via Web, ou seja, a partir de qualquer dispositivo que possua um navegador Web, seja um PC, Notebook ou Netbook, Smartphone ou Tablet que possa usar a Internet com meio de comunicação para operar remotamente o uso de um experimento remoto, também tem que oferecer a possibilidade de se comunicar com Hardware acoplado a um Servidor Web. 3.2 Linguagens de Programação Web As linguagens de programação mais modernas têm características para desenvolvimento de aplicações Web. Uma Aplicação Web é nada mais do que uma forma geral de descrever sistemas de informática projetados para serem utilizados através de um navegador (Internet Explorer, Mozilla Firefox, Safári, etc.), seja na internet ou em redes privadas (Intranet). Resumindo, podemos dizer que é um conjunto de programas de computador que são executados em um servidor de HTTP (Web Host). O desenvolvimento da tecnologia Web está relacionado, entre outros fatores, à necessidade de simplificar atualização e manutenção mantendo o código fonte em um mesmo lugar (o Servidor), qual pode ser acessado de lá por vários usuários remotos. Uma Aplicação Web também é definida em tudo que se é processado em algum servidor Web (sistema sendo executado no servidor web). Um exemplo: quando você entra em um e-commerce a página que você acessa antes de vir até seu navegador é processada em um computador ligado a internet que retorna o processamento das regras de negócio nele contido. Por isso se chama aplicação e não simplesmente site Web.

31 3.3 Aplicações Web Para se trabalhar com Aplicações Web (Figura 8), diferente do modelo de site estático onde somente se tem o HTML puro, neste trabalho para se poder controlar um experimento remotamente existe a necessidade de que pra ser usar a Internet como meio de comunicação se faz necessário o desenvolvimento de uma Aplicação Web. Por outro lado para se poder controlar a experiência acoplada ao servidor, que é um computador que além de ser servidor Web (Web Host) também é um computador ligado a um circuito eletrônico construído para fazer a automatização do experimento. Sendo assim é necessário, que o software, que controla a experiência através da Web, também possa acessar localmente o hardware (portas de comunicação). Este processamento é complicado de usar com as diversas aplicações Web existentes no mercado, dentre elas o ASP, PHP e ColdFusion; para isso vamos demonstrar como uma aplicação Web funciona. Figura 8 - Esquema de funcionamento de uma Aplicação Web

32 Um modelo muito comum de arquitetura de aplicações Web é o modelo de 3 camadas ( Figura 9). Temos uma camada de apresentação (navegador Web do cliente), uma camada de lógica de negócio (Servidor da Aplicação Web) e uma camada de persistência (Servidor de Banco de Dados da aplicação). Figura 9 - Modelo de Aplicação Web de 3 Camadas Fazer a separação em camadas em máquinas diferentes é uma prática muito adotada e também aumenta o desempenho para aplicações que são acessadas por diversos clientes simultâneos,

33 mas nada impede, que o Servidor de Aplicação e o Servidor de Banco de Dados estejam juntos em um mesmo computador servidor. Mais um problema que se deve levar em consideração é qual plataforma de desenvolvimento seja mais adequada para este trabalho. Para solucionar este problema foi pesquisada uma grande variedade de linguagens, tanto proprietárias quanto as soluções open source e foi observado que todas elas têm funcionamento semelhante aos esquemas já descritos anteriormente, ou seja, precisa de um servidor de aplicações dependendo da plataforma adotada. Por exemplo, se fosse usada PHP é recomendado usar o Servidor HTTP Apache, para o ASP o Servidor IIS da Microsoft, para Java (JSP/Servlets) o Apache Tomcat e assim sucessivamente com várias plataformas. Para este projeto foi adotada a Plataforma Java. Java é totalmente orientado a objetos, e a linguagem mais próxima é o C/C++ o que torna seu aprendizado muito rápido e adoção por um grande número de desenvolvedores em todo o mundo. Diferentemente das outras linguagens de Web como PHP e ASP, o Java além de ser uma linguagem é, ao mesmo tempo, um ambiente de programação. Desde seu conceito inicial, o Sun Microsystems criou o Java para trabalhar com dispositivos eletrônicos, o que é bom pra o foco deste trabalho, entretanto na época da sua criação o Java quase sucumbiu. Hoje o Java esta presente tanto na Web como na automatização de diversos dispositivos eletrônicos: TV Digital, Microondas, Satélites, Equipamentos Médico Cirúrgicos, Robôs, Sistema de Caixa Eletrônico, etc. Por ser uma plataforma robusta e com grande potencial, a escolha do Java se mostrou muito viável para este projeto. 3.4 O Wrapper JNI (Java Native Interface) Um wrapper é um termo em inglês que pode ser definido como um pacote, uma ponte entre uma linguagem de programação e um periférico. O principal propósito de um wrapper é funcionar como um adaptador entre o sistema operacional e um driver de dispositivo. O uso de wrapper em desenvolvimeto da Web extende a capacidade mesmo de linguagens, como o PHP, que não conseguem controlar hardware diretamente dependendo do SO. Exemplos de wrapper são OpenKinect, SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generato) e JNI (Java Native Interface).

34 Figura 10 - JNI - Java Native Interface Hoje os Sistemas Operacionais, por questão de segurança, protegem o acesso direto ao seu hardware, e as linguagens de programação para Web não conseguem acessar código de baixo nível que controlam interrupções do Sistemas Operacional e acesso direto ao hardware, o que tornaria inviável a automatização remota. Para isso usa-se wrappers escritos geralmente em C ou C++ (baixo nível) para acessar portas (paralelas, seriais, USB) e controlar dispositivos (hardware). Um exemplo deste uso em Java é o JNI (Java Native Interface), que pode ser usada em um Servlet, por exemplo, e controlar remotamente uma experiência remota. Para exemplificar o uso do Java na Web foi desenvolvido um pequeno circuito eletrônico de LEDs, que podem ser controlados via Navegador Web (Internet Explorer, Firefox, etc.). Para que este pequeno protótipo funcionasse, usamos a biblioteca jnpout32.dll, que roda somente em Servidor Windows, mas também foi testada uma versão para Linux jnpout32.so. Esta biblioteca é uma implementação para acesso e controle das portas paralelas e seriais. A jnpout32 é um wrapper JNI, que controla a experiência e permite que o Servlet Java (classe Java que roda no Servidor de Aplicações, Apache Tomcat), através do método Post (Web) envie requisições remotas pelo navegador Web e acenda ou apaga os LEDs. O esquema de funcionamento está apresentado na Figura 10:

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36 Figura 11 - Código Exemplo da Interface em JSP para controntrole de LEDS O código do Servlet (classe Java rodando no Tomcat) que controla os LEDs através da Porta Paralela, está apresentado respectivamente na

37 Figura 12 e na Figura 13.

38 Figura 12- Código do Servlet usado para controlar os LEDs

39 Figura 13- Código do Servlet usado para controlar os LEDs (continuação)

40 Figura 14 - Arquivo web.xml usado para mapear o JSP ao Servlet Para a construção deste circuito de teste foram utilizados resistores de 100 ohms entre os pinos D0 até D7 da Porta Paralela do computador, que serviu como Servidor de Aplicação, e os LEDs; foram usados 8 LEDs, os pinos de 18 a 25 da Porta Paralela foram aterrados (Figura 15).

41 Figura 15 - Esquema simplificado do circuito dos LEDs Figura 16 - Interface Web de Controle de LEDs

42 Figura 17 - LEDs acessos via Web Figura 18 - Interface conectada na Porta Paralela do Computador (Servidor)

43 3.5 Considerações Finais O envio de sinal remoto para acender e apagar LEDs montados em um circuito simples, mostra que a Plataforma Java com uso de JNI para acesso a bibliotecas é eficiente. Como o desenvolvimento deste trabalho esta prevista a criação de uma Interface mais elaborada para execução de uma Experiência de Queda Livre, automatizada através de um circuito eletrônico (que está em processo de desenvolvimento e testes), e cadastro dos usuários (alunos) em banco de dados.

44 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: MORAN,J.M.; Site com textos e livros do professor José Manuel Moran, Diretor do Centro de Educação a Distância da Universidade Anhanguera-Uniderp. Professor de Comunicação na USP (aposentado) e especialista em mudanças na educação presencial e a distância. Disponível em: < acesso em: 25/05/2011 PICONEZ, S. C. B. Introdução à Educação a Distância: os novos desafios da virtualidade. Portal do Núcleo de Estudos de Eja e Formação de Professores Disponível em: < Introdução%20a%20EaD.pdf>. Acesso em: 01/06/2010. PROJETO WEBLAB-KYATERA, Disponível em: < acesso em: 19/06/2010. POTASHNIK, M.; CAPPER, J. Distance education: growth and diversity. Finance & development, Washington, p.42-45, mar Disponível em: < acesso em 16/05/2010. PIMENTEL, M. G.; ANDRADE, L.C.V. de. Educação a Distância: Mecanismo para Classificação e Análise. Disponível em: < acesso em 19/06/2010. Physics Experimental Laboratory, Ribeirão Preto, Disponível em < Acesso em 01/03/2010. CHELLA, M.T.; FERREIRA E.C.; MARCHEZAN, A.R. Laboratório Remoto aplicado ao Ensino de Engenharia Eletrônica, Disponível em: <inf.unisul.br/~ines/workcomp/cd/pdfs/2211.pdf> Acesso em: 10/04/2010. PALADINI, Suenoni; Experimentação Remota como Suporte a Ambientes de Apresndizagem de Física. UFSC, Santa Catarina, Brasil, GASPARETTI, A.C; Laboratório Remoto para Ensino de Engenharia, Mestre em Engenharia Eletrética pela USP, Engenheiro Eletrônico. Publicado em 20/01/2004. Integração pag GONÇALVES, Edson. Dominando NetBeans Ciência Moderna, GONÇALVES, Edson. Desenvolvendo Aplicações Web com JSP, Servlets, JavaServer Faces, Hibernate, EJB 3Persistence e Ajax Ciência Moderna 2007 WELLING, Luke, Laura Thomson. PHP & MySQL Desenvolvimento Web tradução Edson Furmankiewicz e Adriana Kramer Elsevier 2005 Rio de Janeiro 6ª Reimpressão. BUSCHIAZZO, P., D. Leoncini, R. Zunino and A.M. Scapolla ; AWEB-BASED LABORATORY FOR DIGITAL SIGNAL PROCESSING ; University of Genoa, Genoa, Italy;, ijoe Volume 6, Special Issue 1: REV2010, Setembro 2010