1 Introdução. 1.1 Contexto do Trabalho
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- Ana Bacelar Duarte
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1 12 1 Introdução Este documento descreve a dissertação submetida à avaliação como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação junto ao Programa de Pós-Graduação em Computação (PPGC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A dissertação aborda a análise e implementação de um sistema baseado em conceitos da Teoria de Autômatos para o controle e organização de hiperdocumentos na World Wide Web. 1.1 Contexto do Trabalho O objetivo dos sistemas de ensino a distância é proporcionar material instrucional para um número maior de alunos potencialmente espalhados em uma grande área. Desta forma, permite-se, por exemplo, que novos conhecimentos cheguem a alunos isolados dos grandes centros de ensino e que professores sejam compartilhados eficientemente por diversos alunos localizados em diferentes locais. A partir dos trabalhos de [SCH 95], [MAR 96] e [LOH 96] pode-se apresentar as principais vantagens do uso da WWW no Ensino a Distância: permite apresentação de conteúdo multimídia, texto integrado com som, imagens e vídeo, fornecendo ao professor a possibilidade de enriquecer o material instrucional, tornando-o mais claro e motivador; consiste em um ambiente bastante amigável, o que permite sua manipulação por usuários com pouca prática no uso de computadores; é, potencialmente, um ambiente integrado, pois é possível visualizar diferentes mídias dentro do próprio navegador (browser). Através da execução de aplicações auxiliares externas (helper applications) e da instalação de programas que estendem as capacidades dos navegadores (plugins) é possível manipular diversas mídias de uma forma quase transparente ao usuário; permite a integração com outros serviços da Internet. Com a utilização da interface comum disponibilizada pelos navegadores é possível acessar serviços como o ftp, telnet, newsgroup e correio eletrônico; permite o uso de hyperlinks, possibilitando ao educador uma melhor estruturação do conteúdo; favorece uma educação ativa, já que é oferecido um ambiente no qual o aluno atua no processo de descoberta de novos conhecimentos, ao invés de ser apenas um passivo receptor de conhecimentos; possibilidade de acesso às informações através de diferentes plataformas de hardware e software; possui a flexibilidade de horário, permitindo que o aluno estude um material disponibilizado na WWW no momento que lhe for mais adequado. Diferentemente do senso comum, o trabalho e a função do professor não desaparecem com a utilização da Web, mas mudam um pouco com este novo ambiente. Neste caso, o professor concentra as suas ações na coordenação das atividades, dirige o aprendizado e, principalmente, tira e/ou gera dúvidas. Também cabe ao professor gerar um conteúdo que seja estimulante para o aprendizado. Esta situação coloca o professor não mais como apenas um transmissor de conhecimento, mas como um elemento coordenador da aquisição de conhecimento pelo aluno. Tampouco o trabalho do professor se torna mais leve. Ao contrário, a manutenção e o controle do conteúdo
2 13 didático oferecido aos estudantes e o acompanhamento do aprendizado exigem um considerável esforço, em todas as etapas do processo. Também, a elaboração da nova formatação do conteúdo didático utilizado pode ser uma tarefa bastante árdua. O desafio fundamental para os pesquisadores na área de ensino de ciência da computação se torna, então, intensificar esforços no desenho, desenvolvimento e teste formal de recursos para o ensino de computação que façam uso mais efetivo do novo paradigma apresentado pela evolução da WWW e de suas tecnologias relacionadas [BOR 99]. O presente trabalho está baseado no Projeto TEIA - Técnicas de Ensino Interativas Assistidas por Computador [WEB 98], em realização no Instituto de Informática da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, cujos objetivos principais incluem: "Maior independência do aluno em relação ao professor e maior envolvimento do aluno no processo de aprendizagem, estabelecendo seu próprio ritmo de desenvolvimento e seu nível de aprofundamento ou abrangência de conteúdos." "Maior disponibilidade de material didático a baixo custo. Hiperdocumentos podem ser copiados e posteriormente consultados mesmo em computadores não conectados à rede." "Maior produtividade do professor. Liberado de repetir semestre a semestre os conteúdos das disciplinas, o professor pode dedicar-se ao acompanhamento individual dos alunos, ao incentivo da criatividade dos alunos e à promoção de debates, desenvolvimento e análise de experimentos e implementações dos conteúdos." 1.2 Objetivo O objetivo geral desta dissertação centra-se na análise e aplicação do formalismo de Autômatos Finitos com Saída (Máquina de Mealy e Máquina de Moore) como um mecanismo básico estrutural para a apresentação e organização de hiperdocumentos em sistemas de hipertexto baseados na World Wide Web. Como um todo, a pesquisa científica foi balizada pelos seguintes objetivos mais específicos: Analisar modelos existentes e propor um modelo flexível para a organização e o controle de hiperdocumentos baseado na Teoria de Autômatos. Desenvolver um sistema semi-automatizado para o suporte a cursos na Web a fim de validar o modelo proposto. Definir operações de alto nível para a composicionalidade de cursos. Analisar sistemas disponíveis na Internet que apresentam funcionalidade semelhante ao modelo proposto. Avaliar o sistema desenvolvido através da disponibilização do acesso ao sistema a alunos da cadeira de "Linguagens Formais e Autômatos" do curso de Computação da UFRGS. Desenvolver e organizar material instrucional para o site do curso de "Linguagens Formais e Autômatos" a ser disponibilizado no formato HTML. 1.3 Descrição do Trabalho Em projetos de software direcionados à Internet, a WWW aparece como uma base (composta de protocolos de transporte e comunicação, interfaces e armazenamento de dados) sobre a qual são construídas ferramentas para suprir deficiências como a necessidade de controlar a organização de informações dispersas em unidades
3 coerentes, e permitir a flexibilidade no desenvolvimento e distribuição de material hipermídia onde a base de hiperdocumentos é projetada de forma independente da estrutura de controle das aplicações hipermídia. Constata-se, portanto, a necessidade de ferramentas para complementar uma estrutura já existente, visando torná-la mais apta para o suporte às necessidades cada vez mais crescentes do ensino a distância. A pesquisa enfoca especificamente a análise de um mecanismo básico para a estruturação de um sistema hipertexto [HAL 94]. Um hiperdocumento é composto de informações e relacionamentos entre elas, e pode ser representado por um grafo direto com informações associadas aos nodos e arcos representando as ligações. Tomando-se um arco etiquetado como a representação de uma função que relaciona nodos, tem-se a visão de um hiperdocumento como um autômato finito. Tal modelo tem páginas WWW relacionadas a estados (nodos) e links relacionados a arcos etiquetados. Estendendo a noção um-para-um entre página e estados para incluir a identificação de um conjunto de páginas em cada estado (nodo) tem-se um novo tipo de máquina chamado de autômato com saída. A organização de hiperdocumentos como Autômatos Finitos com Saída está direcionada à criação de uma estrutura funcional para a apresentação de materiais na Web - uma solução que facilita a implementação, manutenção e reuso dos componentes instrucionais. Neste modelo, visões sobre uma base de hiperdocumentos são autômatos com saída (Máquina de Mealy/Moore) e links entre as páginas são transições entre os estados do autômato. Autômatos têm uma história de uso como uma técnica de diagramação formal e podem ser representados por uma estrutura de grafo, a qual pode ser usada para prover interfaces de programação para o controle de material hipermídia. Demais trabalhos relacionados ao uso do formalismo de autômatos para hiperdocumentos encontrados na literatura [FUR 89, MOR 98, STO 98, TOM 89, WAN 98] estão direcionados para modelos formais no estudo da semântica de sistemas hipertexto. O que caracteriza um conjunto de hiperdocumentos organizados no conceito de autômato como um "curso" é a forma didática da apresentação da informação de acordo com premissas pedagógicas e motivacionais direcionadas a facilitar a aprendizagem. O sistema Hyper-Automaton foi desenvolvido como resultado desta pesquisa de dissertação. Este constitui um sistema semi-automatizado (com base em uma arquitetura cliente/servidor na Internet) para o suporte a cursos na Web baseado no conceito de "cursos são autômatos". Ao longo deste texto são tratadas e discutidas as principais vantagens obtidas com a utilização do modelo de autômatos com saída, entre as quais: facilidade de reuso de páginas em diversos cursos, com eliminação da redundância; independência dos hiperdocumentos da estrutura do autômato, cuja alteração não influi nas páginas e viceversa; permite que qualquer usuário crie links de e para qualquer documento; facilidade de implementação e manutenção; interface gráfica simples e direta; elaboração de seqüências instrucionais com enfoques específicos e capaz de oferecer estudo individualizado; operações categoriais fornecem um esquema de composição de cursos que permite a construção de novos cursos sobre cursos já existentes através de procedimentos de alto nível. Adicionalmente é apresentada uma avaliação de vários produtos ou protótipos em desenvolvimento que apresentam semelhanças no funcionamento com o sistema implementado. É analisada a funcionalidade de cada um em comparação ao sistema Hyper-Automaton, desenvolvido como estudo de caso para a aplicação dos conceitos propostos. Mais especificamente, o sistema é utilizado para a construção de cursos na Web. Em especial, para o estudo de caso, o sistema desenvolvido permite a criação de "roteiros" flexíveis, que possibilitam ao autor estabelecer limites à total liberdade dos 14
4 15 usuários dessas aplicações. O objetivo não é tentar impedir iniciativas próprias do usuário, mas fornecer recursos ao autor para que critérios como relevância e fidelidade aos objetivos sejam considerados. Dessa forma, também procura-se minimizar os riscos dos usuários se perderem por caminhos irrelevantes. Neste estudo de caso, a educação baseada na Web, implementada como suporte ao ensino presencial, utiliza a rede como meio de publicação para o material didático, simuladores interativos, apresentação de tutoriais, aplicação de exercícios e provas, bem como ferramentas de comunicação para os estudantes. Embora a ênfase utilizada para a validação do modelo seja a implementação de sistemas para o ensino a distância, os resultados obtidos se aplicam para sistemas de hipertexto como um todo. 1.4 Principais Contribuições Uma contribuição importante desta proposta está na utilização de recursos conhecidos da Teoria da Computação, Teoria das Categorias e Hipermídia, para a extensão de sistemas hipermídia na WWW voltados para o ensino. De uma forma geral, esta dissertação contribui para as áreas de Engenharia de Software, Hipermídia, Informática na Educação e Sistemas Formais, onde existe a preocupação em desenvolver soluções flexíveis e poderosas para o aperfeiçoamento de sistemas de hipertexto voltados para ambientes distribuídos de ensino. Como principais contribuições deste trabalho de pesquisa temos: Desenvolvimento de um modelo simples e eficiente para a estruturação de hiperdocumentos na Web. Modelo de hiperdocumentos com propriedades de linguagens formais herdadas da estrutura de Autômatos com Saída, que permite utilizar algoritmos de análise e validação bem conhecidos na literatura. O modelo suporta facilidades descritas no Modelo Dexter [HAL 94] para sistemas hipertexto que não estão presentes nos atuais protocolos e linguagens da WWW, como a composição de estruturas hierárquicas, múltiplas estruturas hipermídia sobre um mesmo corpo de materiais, manutenção de links externos aos hiperdocumentos e objetos separados da estrutura de navegação. Sistema servidor Hyper-Automaton, cuja estrutura modular e expansível está voltada para o controle e organização de hiperdocumentos, em especial de cursos na Web. Definição de construções baseadas na Teoria das Categorias que fornecem suporte a um framework baseado na semântica de objetos concorrentes e operações categoriais desenvolvidas por Menezes [MEN 95, MEN 99a] e adaptação destas idéias para o conceito de autômatos seqüenciais e a identificação nas aplicações de composição de hiperdocumentos instrucionais na Web para a composição de cursos na WWW. Não se tem conhecimento da utilização de construções de alto nível para a composição de cursos em nenhum sistema SGEAD na Internet. Análise e revisão bibliográfica de sistemas de hipertexto que implementam o conceito de "roteiros" e "guias". Análise e discussão dos mecanismos por trás dos relacionamentos entre autômatos e os conceitos clássicos de sistemas hipermídia.
5 Apresentação da Dissert ação Esta dissertação foi elaborada de acordo com o novo formato recomendado pelo PPGC da UFRGS. A dissertação está organizada como uma coletânea de artigos produzidos durante o curso. Até o momento da redação deste volume foram produzidos 12 artigos, tanto em nível de autoria quanto co-autoria, para eventos relacionados aos temas da dissertação (Informática na Educação, Engenharia de Software, Métodos Formais, Hipermídia), listados abaixo: Sistemas de Gerenciamento para Ensino a Distância. Congresso Internacional de Educação a Distância, 5., 1998, São Paulo. [MAC 98] traz um estudo preliminar das ferramentas disponibilizadas por diversos sistemas de suporte ao ensino na Web disponíveis atualmente. Tal estudo possui uma versão estendida em [MAC 98a]. A System for Web Based Instruction Using Sequential Automata. International Conference on Engineering and Computer Education, 1999, Rio de Janeiro. [MAC 99] discute de forma mais ampla a modelagem de cursos na Web como Autômatos Finitos, introduzindo as primeiras idéias e implicações do conceito "cursos são autômatos". Study of Rooms for the Teaching Mediated by Computer. International Conference on Engineering and Computer Education, 1999, Rio de Janeiro. [MOC 99] é uma análise de modelos para salas de aula dirigidos ao ensino apoiado pelo uso de computadores. É uma peça auxiliar neste trabalho pois introduz soluções a serem aplicadas nos ambientes descritos pelo Projeto TEIA [WEB 98]. Computer in Classroom: Impact on the Environment and on the Relationships. International Conference on Engineering and Computer Education, 1999, Rio de Janeiro. [OLI 99] discute o impacto de sistemas de ensino que utilizam o computador como ferramenta de intermediação entre os professores e alunos. Tal estudo surgiu da necessidade de fundamentação de conceitos a serem utilizados na validação do sistema proposto nesta dissertação. Autômatos Finitos: um formalismo para cursos na web. Simpósio Brasileiro de Engenharia de Software, 13., 1999, Florianópolis. [MAC 99a] apresenta questões importantes referentes à implementação do sistema em uma arquitetura clienteservidor na Internet. Modelagem de Cursos na Web Utilizando Sistemas Formais. Semana Acadêmica do PPGC, 4., 1999, Porto Alegre. [MAC 99b] Web Courses are Automata: a Categorial Framework. Workshop on Formal Methods, 2., 1999, Florianópolis. [MEN 99b] introduz formalmente as construções categoriais relativas à composicionalidade de autômatos e consequentemente a operações de alto nível sobre os cursos. Teoria das Categorias: Experiência e Proposta de Ensino. Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 10., 1999, Curitiba. (Resumo, pôster). [COS 99] é um estudo de caso da utilização do sistema Hyper-Automaton como base para a
6 17 implantação de suporte ao ensino de Teoria das Categorias no Instituto de Informática da UFRGS. Exercícios e Avaliação Interativa Mediada por Computador Baseada em Sistemas Formais. Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 10., 1999, Curitiba. [MOC 99a] desenvolve a análise do modelo de Autômatos Finitos com Saída para a definição de avaliações interativas via WWW. A Web Teaching System Based on Formal Methods. International Conference on Mathematics/Science Education and Technology, 2000, San Diego. (Resumo, pôster). Traz uma análise conjunta do sistema Hyper-Automaton de suporte a cursos na Web enriquecido com o sistema de avaliação interativa. Apresenta ainda um estudo de caso da utilização prática dos sistema em avaliações nos cursos de Linguagens Formais e Autômatos e Microeletrônica (Projetos VLSI) no Instituto de Informática da UFRGS. Engineering a System for Web Course Based on Automata. International Conference on Software Engineering, 22., 2000, Limerick. (Submetido para avaliação). Apresenta uma discussão mais aprofundada do processo de desenvolvimento do sistema Hyper-Automaton e as conseqüências das decisões de implementação e modelagem utilizadas. Structuring Web Course Pages as Automata: revising concepts. Recherche d'informations Assistee par Ordinateur 2000, Conference on Content-based Multimedia Information Access, 6., 2000, Paris. [MAC 2000] desenvolve uma análise crítica do modelo de Autômatos Finitos com Saída face a conceitos pertinentes à área de hiperdocumentos e hipermídia. Os artigos publicados estão organizados nos capítulos subseqüentes. Cada um desses capítulos se inicia por uma subseção de introdução, na qual estão descritas as contribuições de cada artigo constante do capítulo, juntamente com informações pertinentes ao evento no qual o artigo foi publicado e um resumo dos principais assuntos tratados no seu texto. O volume desta dissertação está organizado da seguinte forma: Capítulo 1 - apresenta a introdução da dissertação, com a definição dos objetivos da pesquisa e as principais contribuições do trabalho realizado. Capítulo 2 - é composto pelo artigo "Sistemas de Gerenciamento para Ensino a Distância" e tem a intenção de localizar a área de uso do sistema Hyper-Automaton desenvolvido. Capítulos 3 e 4 - onde encontram-se os artigos "A System for Web Based Instruction Using Sequential Automata" e "Autômatos Finitos: um formalismo para cursos na web" que, respectivamente, introduzem o conceito de autômatos finitos na organização de hiperdocumentos instrucionais e apresentam a arquitetura do sistema Hyper-Automaton. Capítulo 5 - é composto do artigo "Web Courses are Automata: a Categorial Framework", sendo o mais denso em termos de teoria, pois envolve o desenvolvimento de conceitos da Teoria das Categorias para a construção de operações de composição sobre cursos, e aconselha-se a consulta à bibliografia pesquisada para o completo entendimento das operações.
7 18 Capítulo 6 - "Sistemas de Roteiro Guiado na WWW" apresenta uma comparação do protótipo Hyper-Automaton com outros sistemas disponíveis na Internet. Tais sistemas implementam o conceito de "roteiros guiados" ou "caminhos", que permitem restringir ou aconselhar os usuários na seleção de links de navegação. Capítulo 7 - "Implementação do Sistema Hyper-Automaton" traz um resumo da implementação do servidor do sistema Hyper-Automaton, com a descrição das estruturas de dados utilizadas e dos scripts implementados na linguagem Perl. Capítulo 8 - encontram-se os artigos "Engineering a System for Web Course Based on Automata" e "Structuring Web Course Pages as Automata: revising concepts" onde é desenvolvida uma análise crítica dos conceitos apresentados nos capítulos anteriores. Adicionalmente, são revisados conceitos referentes aos mecanismos de link entre páginas, navegação por hipertextos e conseqüências da inclusão do nãodeterminismo. Capítulo 9 - conclui a dissertação e apresenta a definição de trabalhos futuros. Anexos - podem ser encontrados um guia do usuário do sistema Hyper-Automaton (Anexo 1) e os resultados do processo de validação do mesmo com os alunos da cadeira de "Linguagens Formais e Autômatos" do curso de Computação da UFRGS (Anexo 2). Como adicionais, as folhas de rosto dos outros principais artigos desenvolvidos são apresentados nos demais anexos. Embora a seqüência de numeração dos capítulos indiquem a ordem recomendada de leitura da dissertação, aconselha-se a leitura das seções 8.2 e 8.3 entre os capítulos 3 e 4 para uma melhor compreensão do modelo de autômatos utilizado. Os Anexos 1 e 2 podem ser lidos antes do capítulo de conclusão da dissertação, pois trazem dados adicionais sobre o sistema desenvolvido.
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