Um sistema de Aprendizado Colaborativo de Programação Baseado em Agentes Chamado Learn In Group

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1 Um sistema de Aprendizado Colaborativo de Programação Baseado em Agentes Chamado Learn In Group Eustáquio São José de Faria 1, Jamil Miranda Vilela 2,Juan Manuel Adán Coello 3 1,2 Instituto de Informática Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Arcos, MG Brasil 3 Faculdade de Engenharia de Computação Pontifícia Universidade Católica de Campinas Campinas, SP, Brasil eustáquio@pucminas.br, jamil@twister.com.br, juan@puc-campinas.edu.br Resumo. Diversos estudos sobre Ambientes de Aprendizado Colaborativo Suportado por Computador indicam que eles podem trazer melhorias ao processo de aprendizado e contribuir para torná-lo mais prazeroso e socializador. Em um estudo anterior, desenvolvemos um software verificador de diferenças significativas entre programas e o utilizamos para a montagem de grupos para o aprendizado colaborativo de programação de computadores. Chegamos à conclusão de que o aprendizado colaborativo é viável e eficaz nesse contexto, mas difícil de implantar sem a presença de um mediador. Este artigo descreve o Learn in Group, um sistema baseado na Web para o suporte ao aprendizado colaborativo de programação. O sistema contará com dois agentes mediadores, um para a constituição de grupos de trabalho colaborativo e outro para acompanhar e estimular a participação dos membros dos grupos. Palavras-chave. Aprendizado Colaborativo de Programação Suportado por Computador. Agentes de Software. Mediadores de Participação dos Alunos. 1. Introdução Em trabalhos anteriores utilizamos um software Verificador de Diferenças Significativas entre Programas (VDSP) no intuito de apoiar o aprendizado colaborativo de programação (FARIA & ADÁN COELLO, 2004, 2005). Nesses trabalhos, verificamos a importância do mediador no processo de colaboração. Entretanto, o processo de mediação às vezes se torna impraticável devido à falta de tempo, ou à quantidade de alunos em sala de aula. Por isso, propomos neste artigo a construção de um sistema de aprendizado colaborativo suportado por computador, baseado na Web, para o ensino de programação de computadores chamado Learn In Group. Este sistema utiliza-se do VDSP para avaliação dos programas desenvolvidos pelos alunos e da tecnologia de agentes de software para a formação de grupos de estudo e para o gerenciamento da participação dos alunos. O sistema oferecerá a alunos e professores a possibilidade de trabalhar colaborativamente em contextos presenciais ou à distância. Exploraremos neste texto alguns conceitos sobre ambientes de aprendizado colaborativo suportado por computador e sobre a tecnologia de agentes, apresentaremos o VDSP e a nossa proposta de arquitetura para o Learn In Group.

2 As figuras utilizadas fazem parte da interface proposta para o Learn In Group, que ainda se encontra em fase de projeto. 2. Ambientes de Aprendizado Colaborativo Suportado por Computador Atualmente a tecnologia da informação e de comunicação (TIC), presencia um momento de grande evolução quanto à criação de novos ambientes que dão suporte ao ensinoaprendizado colaborativo em diversas áreas do conhecimento. Esta evolução apresenta-se como um novo paradigma, onde os hábitos comuns em que os alunos ouvem o professor e tentam assimilar o que podem são substituídos por metodologias educacionais mais eficientes, porém ainda menos utilizadas. Ultimamente, os ambientes de aprendizado colaborativo têm ganhado uma forte impulsão em termos de avanço tecnológico. Este avanço se deve à melhor qualidade dos meios de comunicação e às possibilidades de criação através da Internet. Segundo Martins, Melo e Gomes (1999), os ambientes de aprendizagem colaborativa apoiada por computador (Computer Suported Collaborative Learning - CSCL) estimulam o aprendizado através da colaboração. Professores, alunos e sistema se interagem através de recursos tecnológicos compartilhando o mesmo espaço de trabalho e resolvendo problemas de maneira conjunta, apoiados por tecnologias de comunicação à distância. Estes ambientes CSCL, normalmente dão autonomia suficiente, e de forma controlada, aos alunos para que possam ser responsáveis pelo seu próprio aprendizado. Segundo Santarosa (1999), um sistema de suporte gerencia os ambientes, mas não age sobre as interações originadas pelos participantes. Em alguns casos, estas interações podem ser registradas. 3. Verificador de Diferenças Significativas entre Programas - VDSP O VDSP é um avaliador automatizado de programas em linguagem C, com o propósito de ser usado como auxílio à montagem de grupos colaborativos de aprendizado de programação. Este avaliador recebe o programa submetido pelo aluno e o percorre para atribuir valores às métricas de estilo mais encontradas na literatura. Todo programa avaliado recebe um valor correspondente a um Índice Global de Qualidade (IG) relativo à qualidade do estilo de programação usada em sua construção, que representa a soma dos valores atribuídos às métricas. Por fim, um Relatório de Anomalias e Soluções, em relação às métricas, é gerado e disponibilizado ao autor do programa avaliado, juntamente com o Índice Global de Qualidade computado, para que sejam utilizados como instrumentos incentivadores e facilitadores do conflito sócio-cognitivo que deverá emergir durante o trabalho em grupo. As métricas utilizadas pelo VDSP para avaliar os programas dos alunos são: 1. Tamanho de identificadores; 2. Percentual de identificadores que são constantes (define / const); 3. Tamanho dos módulos; 4. Quantidade de módulos; 5. Percentual de linhas endentadas; 6. Percentual de linhas de comentário;

3 7. Percentual de linhas em branco. O relatório de anomalias e soluções gerado pelo VDSP nos proporciona informações sobre os problemas encontrados em relação a cada uma das métricas acima, e possíveis soluções de como resolvê-los. Os resultados das avaliações dos programas foram usados para montagem de grupos homogêneos e heterogêneos de estudo. Os grupos homogêneos foram formados por alunos cuja pontuação atribuída aos programas não apresentou diferença significativa, por exemplo, alunos com pontuação IG entre 100 e 200, já os grupos heterogêneos foram formados por alunos cuja pontuação atribuída aos programas apresentou grandes diferenças, por exemplo, alunos com pontuação próxima de 100 trabalhando com alunos com pontuação próxima de 600. O VDSP foi experimentado com a turma de Algoritmos e Estruturas de Dados da PUC Minas Arcos no primeiro semestre letivo de 2004 (Faria e Adán Coello, 2005). Percebemos que o trabalho colaborativo resultou em programas mais compreensíveis. O conflito de idéias, na maioria dos experimentos, fez com que a nota obtida pelo grupo fosse superior à maior nota individual dos componentes daquele grupo. Nos grupos heterogêneos encontramos os maiores índices de crescimento individual, juntamente com o grupo homogêneo de pontuação baixa. Por outro lado, percebemos uma resistência muito grande nos grupos heterogêneos para o trabalho colaborativo. Outro problema detectado nestes grupos foi a submissão por parte dos menos experientes. Esta submissão foi quebrada somente quando o professor se juntou ao grupo e incentivou a participação de todos os componentes de maneira a gerar conflito. O crescimento individual dos componentes de grupos colaborativos se mostrou superior ao crescimento individual daqueles alunos que trabalharam sozinhos. A colaboração se mostrou muito expressiva no aprendizado de programação, mas a figura do mediador fez-se fundamental, pois, em quase todos os momentos que o mediador não estava presente a colaboração tendia a não ocorrer ou ocorrer precariamente. Em grupos heterogêneos a falta do mediador transformava a relação entre os colegas em uma relação de imposição. Nos grupos homogêneos medianos a colaboração fluía normalmente na ausência do mediador. Já no grupo homogêneo alto, a ausência do mediador transformou o ambiente em caos generalizado, pois cada um acreditava que sua idéia deveria prevalecer. Por fim, no grupo homogêneo baixo, quando da ausência do mediador, os alunos se tornavam apáticos, sem saber por onde iniciar o conflito. 4. O Learn in Group O Learn In Group será um sistema, baseado na Web, que suportará o aprendizado colaborativo de programação. Os professores ficarão incumbidos de montar e armazenar, na base de dados, a tarefa de programação desejada e suas respectivas métricas e valores mestre e de escolher com quais tipos de grupo desejam trabalhar (homogêneos, heterogêneos ou mistos). Depois de liberadas pelo professor, as tarefas deverão ser desenvolvidas individualmente pelos alunos. Toda tarefa entregue será avaliada pelo VDSP para que sejam gerados o Relatório de Anomalias e Soluções e o

4 Índice Global de Qualidade do Programa IG. Quando os todos alunos tiverem submetido seu programa à avaliação do VDSP, o Agente de Montagem de Grupos, baseado na escolha do professor em relação aos tipos de grupos, deverá efetuar a montagem dos grupos colaborativos. No decorrer da atividade colaborativa, agentes monitorarão o ambiente procurando descobrir o índice de participação dos alunos. Segundo Maes (1994), os agentes inteligentes de software são sistemas baseados em computador, que vivem em ambientes dinâmicos e com um certo nível de complexidade. Eles têm percepção própria e agem autonomamente neste ambiente. Assim, eles atingem seus objetivos ou cumprem as tarefas para as quais eles foram construídos. Os agentes deverão intervir e mediar o aprendizado quando forem encontrados alunos com índices de participação baixos ou com excesso de participações em relação aos demais colegas do mesmo grupo. Durante a colaboração, o grupo deverá desenvolver um novo programa que também será submetido ao VDSP. Ao final deste processo, um relatório deverá ser gerado e distribuído aos alunos como feedback do processo de colaboração. A figura 1 mostra o modelo ambiental definido para o Learn In Group. Coleta de resultados para formação dos grupos Pontuações tarefa da Base de Dados Valores mestres métricas VDSP das Dados tarefas e métricas Programa para avaliação Sistema Learn In Group Dados tarefas e métricas Formação de grupos Professor Grupo Participação Programa Relatório Anomalias Soluções de e Aluno Figura 1 Modelo Ambiental de Funcionamento do Learn in Group 4.1. Funcionalidades do Learn in Group O Learn In Group implementará as seguintes funcionalidades:

5 Cadastro de turma; Cadastro de alunos; Cadastro de tarefas e escolha dos tipos de grupos; Submissão de programa base e geração de métricas mestras; Avaliação de trabalho de alunos Resumo das atividades colaborativas. Visualização de relatórios de anomalias e do Índice de Qualidade Global do Programa - IG; Montagem dos grupos; Fórum dos grupos; Gerenciador Automatizado de participação; Avaliação de trabalho de grupo; Cadastro de Turma Toda nova turma que trabalhará com o aprendizado colaborativo de programação deve ser cadastrada, bem como o de cada aluno e o nome do professor responsável pela turma. A figura 2 mostra um exemplo de cadastro de turma. O professor responsável pela turma fará o papel do mediador juntamente com o agente mediador do Learn In Group. Figura 2 Janela de manutenção do cadastro de turmas Cadastro de Alunos Toda turma cadastrada será formada pelos alunos matriculados na disciplina naquele semestre. O cadastro de alunos deverá conter o nome, o login de usuário, o e o número de matrícula do aluno. As senhas dos logins de usuário serão geradas e enviadas aos alunos, automaticamente pelo Learn In Group, através do cadastrado. Vejamos exemplos de cadastro de alunos em uma turma na figura 3.

6 Figura 3 Janela de manutenção do cadastro de alunos Cadastro de Tarefas e Escolha dos Tipos de Grupos No decorrer do semestre letivo as turmas desenvolverão diversas tarefas de programação que deverão ser cadastradas no Learn In Group. Para cada tarefa poderemos trabalhar com tipos de grupos homogêneos ou heterogêneos. O status da tarefa no ato do cadastro é Iniciando. Depois que o professor escolher os valores mestres das métricas para aquela tarefa o status passa a ser Aguardando Entrega. Enquanto a tarefa estiver no status Aguardando Entrega, significa que ainda existem alunos que não submeteram o primeiro programa, desenvolvido individualmente, para avaliação pelo VDSP. Após a entrega do trabalho individual do último aluno, que vence no prazo de Entrega Individual de Trabalhos, o Agente de montagem de grupos deverá montar os grupos colaborativos de estudo de acordo com o tipo de grupo escolhido para aquela tarefa. Neste momento, o mesmo agente enviará ao Learn In Group uma solicitação de mudança do status da tarefa para Trabalhando. Após encerramento do prazo, o status da tarefa passa para Finalizada e os alunos não podem mais adicionar mensagens aos fóruns. A pontuação dos alunos e os fóruns ficam disponíveis apenas para leitura. turma. A quantidade de alunos por grupo será escolhida pelo professor responsável pela A tarefa possui uma data de encerramento que deverá ser respeitada pelos componentes do grupo, que deverão desenvolver um novo programa e o submeterão para avaliação pelo VDSP antes do encerramento do prazo. A figura 4 mostra três tarefas cadastradas para a turma AED 01/2004, com seus respectivos status.

7 Figura 4 Janela de manutenção do cadastro de tarefas e escolha dos tipos de grupo Submissão de Programa Base e Geração de Valores Mestres das Métricas Depois de cadastrar a tarefa, o professor deve cadastrar os valores mínimos e máximos, aceitáveis e ideais para essa tarefa. Para definir estes valores o professor pode solicitar que o VDSP avalie o programa base desenvolvido por ele. Após avaliar esse programa o Learn In Group receberá os valores encontrados e os disponibilizará na tela para que possam ser usados como valores de referência. Assim, o professor pode, baseado nos valores que obteve pelo VDSP, atribuir valores mestres às métricas. Os valores mestres das métricas são, portanto, os valores mínimos e máximos, aceitáveis e ideais estipulados pelo professor. É importante ressaltar que toda tarefa possui o seu conjunto de valores mestres das métricas, sendo que, todo programa deve ser avaliado segundo todas as sete métricas. A figura 5 se refere à janela onde serão cadastrados os valores desejados para as métricas. Figura 5 Janela de submissão de programa base e geração de valores mestres das métricas

8 Avaliador individual e visualizador de relatórios e anomalias e Índice Global de Qualidade do Programa IG Todo aluno matriculado em uma turma deverá resolver a tarefa que estiver com status Aguardando Entrega e submetê-la ao Learn In Group, que a encaminhará para avaliação pelo VDSP. Após a avaliação do programa pelo VDSP o Learn In Group disponibiliza os resultados em forma de pontuação para cada métrica. O IG será calculado após o resultado da avaliação de todas as métricas e será disponibilizado ao aluno o relatório de anomalias e soluções. No canto direito da janela, na figura 6, podemos visualizar os links para cada anomalia e solução proposta. A opção de imprimir o relatório de anomalias e soluções pode ser encontrado ao lado do botão de impressão de resultado da avaliação, no canto esquerdo inferior da janela. Figura 6 Janela do Avaliador individual e visualizador de relatórios e anomalias e Índice Global de Qualidade do Programa IG Montagem dos Grupos Um agente de software ficará monitorando a entrega de tarefas pelos componentes da turma. Após a entrega e avaliação do trabalho do último aluno, o agente entrará em ação e formará os grupos de trabalho baseado no tipo de grupo e na quantidade de alunos por grupo, escolhidos pelo professor, no ato de cadastro da tarefa Fórum dos Grupos Todos os grupos montados pelo agente terão seu próprio fórum, sendo que, os alunos terão acesso somente ao fórum do qual fazem parte. O fórum terá um formato tradicional de fóruns na WEB, acrescido de recurso que permitirá visualizar o programa de um dos componentes do grupo (lado direito da figura 7).

9 Figura 7 Janela de Fórum de Grupo A visualização do programa no fórum será a mesma para todos os componentes do grupo, sendo que, todos os componentes podem alterar a visualização do programa a qualquer momento. Assim, quando os alunos estiverem discutindo o programa de algum componente do grupo, todos enxergarão o mesmo programa. Quando algum aluno quiser fazer uma comparação entre o seu programa e o que está em discussão, deverá mudar a visualização na tela, que será também alterada para os demais participantes. O professor terá acesso a todos os fóruns e poderá submeter perguntas e respostas sempre que achar necessário Gerenciador Automatizado de Participação (Agente) O gerenciador de participação é um agente inteligente que estará monitorando o ambiente de discussão e sugerindo a participação dos componentes do grupo. Periodicamente, o agente verificará o índice de participação dos alunos e poderá remeter mensagens para o fórum sugerindo mudanças de comportamento. Paralelamente serão enviados s para os alunos com problemas de participação. As mensagens de correção de comportamento serão públicas, a intenção é que todos os alunos se tornem conscientes de quem necessita participar mais ou passar a vez para os demais colegas Avaliação de trabalho de grupo O funcionamento da avaliação de programa submetido por um grupo é o mesmo da avaliação de programas individuais. A submissão do programa de um grupo pode ser feita até a data de encerramento das atividades estipulado pelo professor ao cadastrar a tarefa. Vejamos um exemplo na figura 8.

10 Figura 8 Janela do Avaliador do Grupo Resumo das Atividades Colaborativas O resumo das atividades colaborativas pode ser visualizado por todos alunos da turma, entretanto, cada aluno terá acesso somente ao resumo do seu grupo. Este resumo estará disponível sempre que a tarefa passar para o status Trabalhando e continuará visível após a finalização das atividades. A pontuação individual e a pontuação do grupo são disponibilizadas para que possamos verificar se o trabalho colaborativo teve resultados positivos ou negativos. O tipo dos grupos também é importante para que possamos avaliar e comparar os resultados de grupos homogêneos, heterogêneos e mistos. O campo perguntas, encontrado na figura 9, diz respeito à quantidade de perguntas que foram feitas por cada participante. Entende-se por perguntas somente aquelas discussões iniciais cujo índice não possua casa decimal, por exemplo, discussão 1, discussão 7. Discussão 7.1 não é considerada pergunta, mas sim resposta à pergunta 7. Já o campo respostas diz respeito a toda participação em discussões, exceto quando a participação for uma pergunta. Uma vez que não estão sendo usados avaliadores semânticos automatizados ou humanos, todas as perguntas serão consideradas relevantes ao processo de discussão. O índice de participação é calculado de maneira a se obter o percentual de participação de cada aluno, somando-se suas perguntas e respostas, dividido pela soma total de discussões encontradas no fórum. Por exemplo, o aluno X obteve 3 perguntas e 5 respostas, perfazendo um total de 8 participações, enquanto o total de participações resultou em 79. Calculando-se o número de participações do aluno (8), dividido pelo total de participações do grupo (79) temos um índice de participação de 10,13%. Como dito anteriormente, no decorrer das discussões, o agente gerenciador de participações estará monitorando o ambiente do fórum e intervindo quando necessário, solicitando, em alguns casos, mais participação de algum componente do grupo, em outros casos, solicitando que um componente deixe que outros alunos também participem.

11 Figura 9 Resumo das Atividades Colaborativas 4.2. Observações Finais Sobre o Learn In Group O Learn in Group deverá criar a quantidade necessária de grupos de acordo com o número de alunos na disciplina e a quantidade de alunos por grupo, definida pelo professor. Estes grupos deverão ser formados de acordo com a pontuação total atribuída à qualidade dos programas desenvolvidos individualmente pelos alunos (IG), obtida através do VDSP. O professor, como mediador humano das atividades, precisa, a todo o momento, ter informações claras e suficientes para tomar atitudes e dar orientações aos grupos. Como, normalmente, o mediador não estará vendo o trabalho dos grupos, uma vez que poderão trabalhar remotamente, deve-se permitir a ele acompanhar e interagir com os grupos em seus debates. Isto pode ser feito dando acesso livre ao professor nos fóruns de todos os grupos. O processo de formação de grupos pode gerar uma grande quantidade de grupos tornando difícil para o professor acompanhar todos os fóruns, por isso é muito importante que o sistema seja capaz de coletar informações sobre os debates, como: Quais integrantes do grupo participaram do debate; Quantas vezes cada integrante participou no debate; Quantas questões levantou cada integrante no debate. E também que possibilite ao professor agir baseado nestas informações, como: Estimular os integrantes que não estão participando; Avisar os integrantes que participam em excesso; Estimular os integrantes que não respondem a perguntas. É importante lembrar que o agente gerenciador de participação poderá agir a qualquer momento para mediador do processo de colaboração, da mesma maneira que o professor. O usuário professor tem acesso completo ao sistema, enquanto o usuário aluno tem acesso ao avaliador de programa individual e ao resultado da avaliação, ao

12 fórum de discussões do seu grupo, ao avaliador de programa do grupo e ao resultado da avaliação e ao resumo das atividades colaborativas do seu grupo. A figura 10, abaixo, mostra a estrutura de hierarquia de páginas do Learn in Group. Login Acesso de Professor Acesso de Aluno Área Trabalho Professor de do Área de Trabalho do Aluno Cadastro de Turma Área de Trabalho do Aluno Programa Base e métricas Resumo da Colaboração de Todos os Grupos Avaliador Individual e resultados Fórum de Discussões Avaliador do Grupo e resultados Resumo da Colaboração do Grupo Cadastro de Alunos Cadastro Tarefas de Figura 10 Hierarquia de Páginas do Learn In Group

13 5. Referências ABREU, Bruno L. & SILVA JÚNIOR, Carlos R. S. (2000) SEI Sistema de Ensino Inteligente. Desenvolvimento do Sistema, UFPE Universidade Federal de Pernambuco, Recife. SistemadeEnsinoInteligente.pdf, acesso em 12/12/2003. CASTELFRANCHI, C. (1995) Guarantees for Autonomy in Cognitive Agent Arquitecture. In: Intelligent Agents: Teories Arquitectures and Languages LNAI, volume 890, pp , Springer-Verlag, Heildeberg. FARIA, Eustáquio S. J. and ADÁN COELLO, Juan M. (2004) Detectando diferenças significativas entre programas como auxílio ao aprendizado colaborativo de programação. In XII WEI , XXIV Congresso da Sociedade Brasileira de Computação SBC, Universidade Federal de Bahia, Salvador, Bahia, Brasil, Agosto 2-4. FARIA, Eustáquio S. J. and ADÁN COELLO, Juan M. (2005) Using Verifyer of Significant Differences among Programs as support to the Programming Collaborative Learning. Aceito para publicação no GCETE 2005, IEEE - Education Society, Bertioga, SP, Brasil, março. GENESERETH, M. R. & KETCHPEL, S. P. (1994) Softwares Agents. In: Communications of the ACM, volume 37, no. 7, pp MAES, P. (1994) Agents that Reduce Work and Information Overload. Communications of the ACM, p.31-40, julho. MARTINS, Isabel; MELO, Vitor; GOMES, Rui. (1999) Concepção de um Ambiente de Ensino à Distância Colaborativo para as Ciências da Natureza. I Conferência Internacional Challenges 99, Portugal, Universidade do Minho, p SANTAROSA, Lucila Costi. (1999) Criação de Ambientes de Aprendizagem Colaborativa, SBIE X, Curitiba/PR, novembro. WOOLDRIDGE, M. J. & JENNINGS, N. R. (1995) Intelligent Agents: Theory and Practice. Knowledge Engineering Review 10(2).