Aplicando Engenharia de Software Orientado a Modelos ao Desenvolvimento de Objetos de Aprendizagem

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1 Aplicando Engenharia de Software Orientado a Modelos ao Desenvolvimento de Objetos de Aprendizagem Aluna: Maria de Fátima C. de Souza 1 Orientadora: Rossana M. C. Andrade 1, 3 Co-orientador: José Aires de Castro Filho 2 Universidade Federal do Ceará (UFC) 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática Grupo de Redes de Computadores, Engenharia de Software e Sistemas (GREat) Campus do Pici s/n, Bloco Caixa Postal 6007 CEP: Fortaleza CE Brasil 2 Programa de Pós-Graduação em Educação Brasileira (UFC) Grupo de Pesquisa e Produção de Ambientes Interativas e Objetos de Aprendizagem (PROATIVA) Campus do Pici, Instituto UFC Virtual- bloco 901-1º andar, CEP: Fortaleza CE Brasil 3 Departamento de Computação (UFC) Grupo de Redes de Computadores, Engenharia de Software e Sistemas (GREat) Campus do Pici s/n, Bloco 910 CEP: Fortaleza CE Brasil {fatimasouza,rossana}@great.ufc.br, j.castro@ufc.br Nível: Doutorado Ingresso no Programa: 03/2007 Previsão de Conclusão: 03/2011 Qualificação: 12/2008 Resumo. Objetos de Aprendizagem (OA) são recursos digitais desenvolvidos como ferramenta de apoio ao processo de aquisição de conhecimento. O grau de complexidade dos requisitos envolvidos na produção de OA exige o suporte de uma equipe multidisciplinar no seu desenvolvimento, o que resulta em uma série de problemas relacionados à integração das atividades desses profissionais. Apresentamos nesse trabalho, uma abordagem orientada a modelos que fornece as abstrações necessárias para que o processo de desenvolvimento de OA possibilite a atuação efetiva dos diferentes tipos de profissionais envolvidos nesse processo, facilitando a comunicação e permitindo um melhor aproveitamento dos conhecimentos específicos de cada um. Palavras-Chave: Objetos de Aprendizagem, Engenharia de Software Orientada a Modelos, Modelo de Processo. 62

2 1. Introdução O uso das Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC) no processo de ensino e aprendizagem está cada vez mais evidente no cotidiano de alunos e professores. Contudo, é preciso ampliar a discussão sobre o uso dessas tecnologias visando modificar a forma com que a Educação propõe o ensino e como os materiais educacionais são projetados, desenvolvidos e entregues àqueles que desejam aprender (FERNANDES, 2004). Atualmente, um dos materiais educacionais que procura atender a essa demanda tecnológica são os Objetos de Aprendizagem (OA) (LONGMIRE, 2001). Esses recursos podem ser empregados como uma ferramenta para auxiliar o professor a criar novas estratégias de ensino que favoreçam a abstração do conhecimento pelo aluno. Na literatura, existem diversas definições para Objeto de Aprendizagem (OA). De acordo com a definição apresentada em Wiley (2000), OA pode ser definido como "qualquer entidade digital, que pode ser usada, reusada ou referenciada durante um processo de aprendizagem apoiado pela tecnologia. Um OA pode ser visto como um produto de software que é utilizado com uma função pedagógica definida, portanto necessitam de uma estrutura, definida através de um modelo de processo, que norteie seu desenvolvimento. É válido questionar se, pelas características peculiares dos OA como produtos educacionais, os modelos de processo atualmente aplicados ao desenvolvimento desses produtos são, de fato, efetivos no que tange à qualidade dos produtos gerados. A produção de um OA é bastante complexa (LONGMIRE, 2001), pois envolve a participação de uma equipe multidisciplinar, composta por pedagogos, desenvolvedores, designers gráficos e especialistas de área, também denominados de conteudistas. Esses profissionais devem interagir de modo a se atingir os objetivos tanto tecnológicos quanto pedagógicos desses produtos (BOND et al, 2008). Desse modo, a precisão na forma de comunicação das informações relacionadas aos OA deve ser garantida, a fim de permitir a sua construção com qualidade e minimizando o tempo de produção dos mesmos. Essa comunicação entre profissionais de diversas áreas é um dos maiores desafios dos modelos de processo que tratam desse tipo de produto. Os modelos de processos disponíveis atualmente para a produção de OA, além de não contemplar de forma efetiva as peculiaridades das relações multidisciplinares, ainda baseiam os mecanismos de comunicação em documentos escritos em linguagem natural. Acontece que profissionais de diferentes áreas podem compreender esses documentos de formas distintas. Diante de todas as características que conceitualizam um OA e dos desafios relativos à produção desse tipo de recurso, o seguinte questionamento pode ser levantado como desafio para essa pesquisa: é possível desenvolver novos métodos, técnicas e ferramentas de projeto que viabilizem a realização de uma comunicação plena entre as equipes multidisciplinares envolvidas na produção de OA, em que sejam respeitadas as características de cada tipo de participante do processo, sem, no entanto, perder o rigor necessário à produção de um software de qualidade? Para responder essa questão, é proposto neste trabalho uma estratégia baseada em Engenharia de Software Orientada a Modelos (MDSE - Model Driven Software Engineering) (SCHMIDT, 2006) para dar suporte a produção de OA. Essa abordagem fornece mecanismos de abstração que possibilitam suplantar as dificuldades relacionadas à produção dos mesmos. 63

3 O restante desse artigo está dividido da seguinte forma: na seção 2 é apresentada a fundamentação teórica relacionada à pesquisa. Na seção 3, a proposta inicial do trabalho é apresentada. Na seção 4 é descrito o estado atual do trabalho e as principais contribuições esperadas. Os trabalhos relacionados são apresentados na seção 5 e algumas conclusões são mostradas na seção 6. 2.Fundamentação Teórica Os aspectos teóricos do trabalho dividem-se na definição de objetos de aprendizagem e da engenharia de software aplicada a modelos. Os dois tópicos são discutidos nas seções a seguir. 2.1 Objetos de Aprendizagem Objetos de aprendizagem, doravante denominados de OA, é um termo surgido no inicio do século XXI para indicar recursos digitais (vídeo, animação, simulação etc) os quais permitem que professores e alunos explorem conceitos específicos. O termo objetos originou-se da programação orientada a objetos (WILEY, 2000). Embora não haja ainda um consenso sobre sua definição, vários autores concordam que os OA devam ser: (1) digitais, isto é, possam ser acessados através do computador, preferencialmente pela Internet; (2) pequenos, ou seja, possam ser aprendidos e utilizados no tempo de uma ou duas aulas e (3) focados, ou seja, focalizar uma aprendizagem única, isto é, cada objeto deve ajudar os aprendizes a alcançar um objetivo específico. Em termos pedagógicos, segundo Longmire (2001), há diversos fatores que favorecem o uso de OA na área educacional, tais como: Flexibilidade - os OA são construídos de forma simples e por isso, já nascem flexíveis, de forma que, podem ser reutilizáveis sem nenhum custo com manutenção; Facilidade para atualização - como os mesmos objetos são utilizados em diversos momentos a atualização dos mesmos em tempo real é relativamente simples, bastando apenas que todos os dados relativos a este objeto estejam em um mesmo banco de informações; Customização - como os objetos são independentes, a idéia de utilização dos mesmos em um curso ou vários cursos ao mesmo tempo, torna-se real, sendo que cada instituição educacional pode utilizar-se dos objetos e arranjá-los da maneira que mais convier; Interoperabilidade - os OA podem ser utilizados em qualquer plataforma de ensino em todo o mundo; Aumento do valor de um conhecimento - ao ser reutilizado e adaptado a um novo conhecimento, os OA vão sendo melhorados ao longo do tempo, levando a uma melhora significativa na qualidade do ensino de um novo conteúdo. Por serem digitais os objetos de aprendizagem podem ser tratados como produtos de software. Portanto, seu desenvolvimento requer o conhecimento das técnicas utilizadas em engenharia de software, como a ES orientada a modelos, discutida na próxima seção. 2.2 Engenharia de Software Orientada a Modelos A Engenharia de Software Orientada a Modelos (MDSE - Model Driven Software Engineering) (SCHMIDT, 2006) vem obtendo uma grande atenção pelos pesquisadores da área de Engenharia de Software nos últimos anos. Essa abordagem se baseia no uso sistemático de modelos como artefatos principais no processo de desenvolvimento de software. Assim, há uma substituição do foco do desenvolvimento para os modelos, que são artefatos mais abstratos do que os códigos. Com essa abordagem, os engenheiros de software e desenvolvedores são levados a dispender esforços no espaço do problema (modelos) em vez de plataformas específicas. Dessa forma, o objetivo principal da MDSE é 64

4 a separação entre a lógica da aplicação e a tecnologia alvo de desenvolvimento. Com a MDSE, os modelos podem ser descritos através de Linguagens de Domínio Específico (DSL - Domain-Specific Languages). Essas linguagens possuem representações direcionadas para um público específico. A partir dessas especificações, a MDSE sugere a aplicação de um conjunto de transformações nesses modelos, que podem ser direcionados para alguma arquitetura específica, nas quais códigos podem ser gerados. O presente trabalho busca desenvolver um modelo específico de produção de OA, tomando por base a MDSE. A proposta do trabalho é descrita a seguir. 3. Proposta Diante da multidisciplinaridade das equipes que produzem OA, e das dificuldades em se estabelecer uma comunicação clara entre seus membros, é proposto neste trabalho, a criação de uma nova estratégia de desenvolvimento de OA baseados em modelos. Para dar suporte a essa nova estratégia de desenvolvimento de OA, é apresentado na Figura 1, o esboço inicial do modelo de processo que auxiliará a aplicação das técnicas em desenvolvimento nesse trabalho. Escopo Pedagógico 1 Requisitos 2 Validação e Verificação 5 Projeto 3 Versão Implementação 4 Figura 1. Esboço Inicial do Modelo de Processo. Como pode ser observado na Figura 1, o modelo proposto é incremental e iterativo, sendo composto pelas seguintes cinco fases: 1. Delimitação de Escopo Pedagógico: nessa etapa é realizada uma análise detalhada sobre os conceitos que o OA deve tratar, sobre os pré-requisitos relacionados a esses conceitos, sobre a forma mais didática com que os conteúdos devem ser seqüenciados, entre outros fatores. Para a realização dessa etapa, será proposta uma DSL que permitirá a especificação de todos esses aspectos. Com o resultado dessa atividade, dá-se início a próxima etapa que é a de elicitação e análise de requisitos. 2. Elicitação e Análise Requisitos: essa etapa é realizada por atores com competências diferentes, e que envolvem conhecimentos tanto pedagógicos, quanto técnicos. Para que esses atores possam agir diretamente no processo de desenvolvimento, contribuindo de modo efetivo com seus conhecimentos e preservando a comunicação entre os integrantes da equipe, será proposta uma DSL para a realização das modelagens dos requisitos técnicos do OA. Quanto aos requisitos pedagógicos, os mesmos serão modelados através da DSL que será desenvolvida para dar suporte à fase anterior do processo. Além disso, será proposto um mecanismo de integração de 65

5 modelos, que permitirá a produção de uma especificação de requisitos que contemple, de forma unificada, as visões dos diversos atores envolvidos. 3. Projeto: a fase de projeto é dividida em diversas sub-etapas, tais como Projeto Pedagógico, Projeto de Interfaces e Projeto Gráfico. Ainda na etapa de projeto de interfaces, serão desenvolvidas algumas técnicas de descrição semi-formais e formais para tratar os aspectos de interpretação livre, que são associados aos documentos relacionados ao processo de desenvolvimento de OA. Essa liberdade atual por um lado facilita a integração das equipes de desenvolvimento, visto que estas se caracterizam por serem multidisciplinares, mas por outro lado, introduz diversas dificuldades na implementação do OA, fato que pode colocar em risco a qualidade pedagógica do produto gerado. 4. Implementação: como os OA são recursos modulares e pequenos, não é aconselhável que se dispenda muito tempo no seu desenvolvimento. Por isso, a importância de se incorporar, métodos ágeis na produção dos mesmos. 5. Validação e Verificação: na validação serão realizados os testes relativos aos aspectos pedagógicos dos OA, tais como: seqüenciamento de conceitos, qualidade e eficácia de feedbacks, entre outros. Por isso a importância da validação ser feita na escola, pois é nesse local que encontramos os usuários desse tipo de produto (professor e aluno). Para essa etapa será proposta uma abordagem relacionada à Engenharia de Software Empírica, no qual ferramentas estatísticas serão aplicadas de modo a permitir uma análise precisa dos resultados relacionados à utilização dos OA em sala de aula. Já na verificação, aspectos técnicos dos OA devem ser testados, tais como: entradas válidas, funcionamento de botões, caixas de textos e demais recursos de interfaces; navegação entre janelas, dentre outros aspectos. Para auxiliar a execução dessa tarefa, serão utilizados casos de teste gerados pelas linguagens de descrição formais e semi-formais, que guiarão o processo de verificação dos OA. A verificação será realizada por uma equipe específica, denominada equipe de testes. Esta equipe será responsável por repassar à escola o produto sem que este apresente problemas de ordens técnicas, para que os usuários finais possam realizar com maior segurança a validação do OA. A maior preocupação em cada uma das fases do processo de desenvolvimento é sistematizar a produção dos OA de modo que em cada fase possa ser incluído algum ferramental tecnológico que venha assegurar uma comunicação eficiente entre os membros da equipe de produção desses recursos. 4. Estado Atual da Pesquisa e Contribuições Esperadas Atualmente está sendo realizado um estudo etnográfico relacionado à prática do desenvolvimento de OA. Esse estudo está sendo desenvolvido junto ao grupo PROATIVA (Grupo de Pesquisa e Produção de Ambientes Interativas e Objetos de Aprendizagem) 1 que atua na Universidade Federal do Ceará e realiza diversas pesquisas na área de produção de OA. Esse grupo possui vasta experiência na produção de OA nas áreas da matemática, física, química e linguagem direcionados ao Ensino Fundamental e Médio. Para a produção desses OA, nessas diversas áreas do conhecimento, o grupo conta com uma equipe multidisciplinar composta por aproximadamente 40 pessoas, entre pesquisadores, bolsistas e colaboradores envolvidos com a produção de OA. Esse estudo possibilitará a realização

6 de uma descrição detalhada sobre as estratégias utilizadas na criação de OA e nos resultados alcançados pelo grupo. Dessa forma, será realizada uma análise dessa descrição de modo a esclarecer todos os conflitos, impasses e outros fatores que venham a demonstrar nossa proposição inicial relacionada às falhas de comunicação entre os membros dessa equipe. Em paralelo, um refinamento do modelo de processo que foi apresentado na Figura 1, já está sendo desenvolvido. Nessa nova versão, está sendo levantado um conjunto de atores e de atribuições relacionadas a cada ator. Essa estratégia visa esclarecer os requisitos das Linguagens de Domínio Específicos que devem ser desenvolvidas posteriormente. Ao final do desenvolvimento dessa pesquisa, são esperadas as seguintes contribuições: 1. Definição de um Processo de Desenvolvimento de OA Orientado a Modelos que garanta a participação efetiva de todos os atores do processo e evitando possíveis interferências nas atividades associadas a esses atores. 2. Proposta de Linguagens de Domínio Específico para cada tipo de profissional envolvido no processo de desenvolvimento de OA em que sejam respeitados as diferenças de cada um e que viabilize um mecanismo de comunicação mais expressivo para esses profissionais. 3. Definição de Mecanismos de Integração, Evolução e Reuso de Modelos que deve permitir a combinação dos modelos desenvolvidos, a análise de possíveis incompatibilidades entre esses modelos, a definição de formas de evolução dos modelos e, principalmente, a possibilidade da recuperação dos modelos originais, de sorte que seja possível a introdução de modificações, quer seja para correção de problemas do OA, quer seja para a inclusão de novas funcionalidades. 4. Definição de Mecanismos de Transformação entre Modelos que deverão fornecer um conjunto de templates de implementação que deve facilitar a produção final dos códigos dos OA. Como forma de validar essa estratégia, serão realizados estudos de caso no PROATIVA, com a intenção de se avaliar os resultados da aplicação das contribuições desse trabalho. Essa avaliação se dará a partir da análise comparativa dos resultados alcançados pelo grupo, na produção de novos OA, em relação às estratégias utilizadas anteriormente nessa produção. Como resultado já alcançado, podemos citar o trabalho proposto em (SOUZA et al, 2007), no qual foi proposto um mecanismo de comunicação de requisitos técnicos através de um modelo baseado em Redes de Petri Coloridas. Esse modelo, denominado LOCPN, é uma versão inicial da estratégia de aplicação de modelos formais para facilitar a interpretação de aspectos técnicos em uma equipe de desenvolvimento de OA que será utilizada como ferramenta de apoio à verificação dos produtos ao longo do processo de desenvolvimento. 5. Trabalhos Relacionados De acordo com o levantamento bibliográfico realizado até o momento, são poucos os processos utilizados para se desenvolver OA. No âmbito nacional, podemos citar basicamente dois modelos de processos. O primeiro deles é o desenvolvido pelo Laboratório Didático Virtual (Labvirt) (LABVIRT, 2008), que é um projeto criado através 67

7 da parceria realizada entre a Microsoft do Brasil e a Escola do futuro da Universidade de São Paulo para o desenvolvimento e armazenamento de OA. Nele, professores e alunos podem disponibilizar e utilizar uma grande quantidade de OA desenvolvidos para o ensino médio, nas áreas de química e física. O modelo de desenvolvimento adotado pelo Labvirt utiliza uma estrutura composta pelos seguintes atores: os professores, que formam a equipe pedagógica, determinam o conteúdo a ser abordado, em conjunto com os alunos das escolas públicas. Em seguida, a equipe responsável pelo design gráfico contextualiza o conteúdo, a partir da criação de roteiros e cenários. Por fim, uma equipe técnica produz o objeto, utilizando processos oriundos da engenharia de software. Um segundo modelo importante é o utilizado pela Rede Interativa Virtual de Educação (RIVED) (RIVED, 2008). O RIVED é um programa da Secretaria de Educação a Distância - SEED, que tem por objetivo a produção de conteúdos pedagógicos digitais, na forma de OA baseados em simulações e animações. Tais conteúdos primam por estimular o raciocínio e o pensamento crítico dos estudantes, associando o potencial da informática às novas abordagens pedagógicas. O modelo de processo proposto pelo RIVED é composto por cinco fases, e baseado na junção de um conjunto de características que são pertinentes ao aprendizado do indivíduo. Essa junção dá origem aos documentos General Design (GD) ou Design Pedagógico, Roteiro de Atividades e Guia do Professor. Em (AMARAL et al, 2006), foi apresentado um aprimoramento do modelo de processo proposto pelo RIVED, em que há uma preocupação relevante na etapa de validação dos produtos desenvolvidos. Esse modelo é adotado, atualmente, na produção de OA do PROATIVA. No âmbito internacional, podemos citar um modelo de processo de OA desenvolvido pelo Projeto DART (Digital Anthropological Resources for Teaching) (BOND et al, 2008). Esse modelo é composto por seis estágios, sendo que no primeiro estágio o desenvolvimento é realizado apenas com o professor, de modo a entender as atividades relacionadas ao ensino. No segundo estágio, um protótipo é criado pela equipe técnica, sendo que nos estágios seguintes esse protótipo é avaliado pelos estudantes e posteriormente refinado e disponibilizado para acesso. Todos os modelos de processo identificam os diferentes profissionais que participam do desenvolvimento de um OA. Entretanto, a comunicação entre esses profissionais não é esclarecida no modelo ou ainda é baseada em documentos descritos em linguagem natural. Além dessa forma de comunicação estar sujeita a erros de interpretação, ela é vaga em termos de detalhamento que permita ao grupo multidisciplinar discutir e interagir de modo a tornar clara as especificações. Por isso, acreditamos que a MDSE poderá contribuir com a solução dessa problemática, visto que essa abordagem possibilita a abstração dos conceitos tratados na produção de OA. 6. Conclusão Conforme já se afirmou, os OA são produtos que envolvem aspectos técnicos (engenharia de software, design, interface humano computador, usabilidade) e pedagógicos (conteúdos educativos, concepções de aprendizagem, estrutura pedagógica) e envolvem profissionais das mais diversas áreas do conhecimento. Esta multidisciplinaridade das equipes de desenvolvimento acaba por dificultar a participação efetiva dos profissionais com 68

8 conhecimentos não técnicos, em termos de produção de software, a se engajarem de fato no processo de desenvolvimento dos OA. Nessa pesquisa estão sendo propostos mecanismos para minimizar esse problema e permitir que as abstrações necessárias para representar os conhecimentos de cada profissional envolvido na criação de OA sejam respeitadas. Esta proposta é baseada na utilização de Engenharia de Software Orientada a Modelos (MDSE) para dar suporte ao desenvolvimento de OA. Através de um conjunto de estratégias relacionadas a MDSE, está sendo criado um modelo de processo e um conjunto de técnicas e ferramentas de desenvolvimento de OA que possibilitam a representação e integração dos conhecimentos de todos os envolvidos na elaboração desses produtos, e que, além disso, permita que essas representações possam ser tratadas em todo o processo de desenvolvimento, possibilitando o envolvimento necessário dos profissionais, para se alcançar a qualidade requerida por esses produtos em todas as suas formas. Referências Bibliográficas AMARAL, L.L; GOMES, T.A; SOUZA, M.F.C.; CASTRO FILHO, J.A.; PEQUENO, M.C. (2006) Um Aprimoramento do modelo de Processo de Criação de Objetos de Aprendizagem do projeto Rived. In: Workshop sobre Informática na Escola. Campo Grande. Anais do XXVI Congresso da Sociedade Brasileira de Computação. BOND, S.; INGRAM, C.; RYAN, S. (2008) Reuse, repurposing and learning design - Lessons from the DART project. Computers & Education 50 (2), February. FERNANDES, N.L.R. (2004) Professores e Computadores: navegar é preciso, Porto Alegre: Mediação, pp IEEE. Learning Technology Standardization Committee (LTSC). Disponível em: Acesso em: 15 de Maio de LABVIRT. Disponível em: Acesso em: 15 de Maio de LONGMIRE, W.. (2001) A Primer On Learning Objects. American Society for Training & Development. Virginia. USA. RIVED. Disponível: Acesso em: 15 de Maio de SCHMIDT, D. C. (2006) Model-Driven Engineering, IEEE Computer 39 (2). SOUZA, M. F. C. de ; GOMES, D. G. ; BARROSO, G. C. ; SOUZA, C. T.; CASTRO FILHO, J. A.; PEQUENO, M. C.; ANDRADE, R. M. C. (2007) LOCPN: Redes de Petri Coloridas na Produção de Objetos de Aprendizagem. Revista Brasileira de Informática na Educação. v.15, n.3, p WILEY, D. A. Connecting learning objects to instructional design theory: A definition, a metaphor, and a taxonomy in D. A. Wiley (Ed.), The Instructional Use of Learning Objects. Disponível em: Publicação original: Acesso em: 15 de Maio de