Utilização do Método PBL no Ensino de Sistemas Operacionais e Redes de Computadores

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1 PBL 2010 Congresso Internacional. São Paulo, Brasil, 8-12 de fevereiro de Utilização do Método PBL no Ensino de Sistemas Operacionais e Redes de Computadores Michele Fúlvia Angelo 1, José Amancio Macedo Santos 1 1 Universidade Estadual de Feira de Santana UEFS Av. Universitária, s/n, CEP: Feira de Santana Bahia {mfangelo, zeamancio}@ecomp.uefs.br Resumo. A utilização do método PBL foi adotada no curso de Engenharia de Computação da UEFS desde sua implantação, em No currículo do curso existem componentes curriculares integradores, denominados Estudos Integrados. Dentre estes, o Estudo Integrado de Concorrência e Conectividade é composto pelos módulos de Sistemas Operacionais e Redes de Computadores. Com base nas experiências adquiridas com a utilização do método PBL, este trabalho apresenta uma descrição deste Estudo Integrado, os problemas utilizados, a metodologia de avaliação, o comportamento dos tutores/professores e alunos do curso de Engenharia de Computação da UEFS, bem como os resultados de aprendizagem obtidos. 1. Introdução O método PBL (Problem-Based Learning) é uma estratégia educacional, centrada no aluno, que o ajuda a desenvolver a habilidade de trabalhar de forma independente ou em grupo, o prepara para tomar decisões, ter iniciativa e adquirir novos conhecimentos. O aluno é, constantemente, estimulado a aprender e a fazer parte do processo de construção do seu aprendizado [Woods 1996, Deslile 1997, Boud & Feletti 1998, Duch et al, 2001]. Desde sua sistematização, nos início dos anos 1970 na escola de medicina da Universidade McMaster, o PBL tem sido adaptado a muitos contextos educacionais e ao ensino de diversas áreas do conhecimento. Hoje, é possível encontrar implantações do PBL em áreas tão distintas como história, pedagogia e arquitetura. Seu uso no ensino de engenharia acontece há muito tempo, onde às vezes é chamado de aprendizagem baseada em projetos [Ribeiro 2008]. O curso de Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS), desde sua implantação, adotou o método PBL em seu currículo, aplicando-o em seus Estudos Integrados (EI), conforme é apresentado nos trabalhos de Oliveira, Arruda & Bittencourt (2007), Santos et al. (2007), e Santos, Angelo & Loula (2008). Um EI é um componente integrador sobre certo tema, organizado em módulos teóricos e práticos. Nos módulos teóricos os conteúdos são abordados de forma convencional, enquanto os práticos utilizam problemas integradores, que são solucionados com o uso do PBL. Com base nas experiências adquiridas com o PBL no EI de Concorrência e Conectividade, o qual é composto pelos módulos de Sistemas Operacionais e Redes de Computadores, este trabalho apresenta a composição deste EI, os problemas utilizados, a

2 metodologia de avaliação utilizada, o comportamento dos professores/tutores/alunos, e os resultados de aprendizagem obtidos. 2. O Estudo Integrado de Concorrência e Conectividade Dentre os elementos de integração curricular presentes no currículo do curso de Engenharia de Computação da UEFS, destacam-se os componentes curriculares intitulados Estudos Integrados. Um EI tem por objetivo ser um componente integrador que gira ao redor de certo tema, sendo organizado em módulos. Um módulo é um recorte em determinados campos do conhecimento, organizado de forma articulada, auto-contida e coesa para acontecer o processo ensino/aprendizagem. Os módulos de cada EI estão, ao longo do curso, oportunizando a aprendizagem interdisciplinar, referenciados pelos componentes curriculares que compartilham do período letivo (UEFS, 2004). O curso de Engenharia de Computação da UEFS possui oito estudos integrados totalizando 1170 horas do currículo nestes componentes. São eles: Introdução ao Hardware (120 horas), Sistemas Digitais (120 horas), Programação (180 horas), Circuitos Eletrônicos (120 horas), Engenharia de Software (180 horas), Concorrência e Conectividade (120 horas), Sinais e Sistemas Digitais e Analógicos (180 horas), e Linguagens de Programação (150 horas). O EI de Concorrência e Conectividade tem como objetivo o estudo da organização de sistemas de computação e comunicação em níveis de abstração mais elevados do que os de arquitetura e organização de computadores, considerando os aspectos de concorrência por recursos computacionais, como memória, arquivos de entrada/saída e os aspectos de comunicação de sistemas de computação organizados em redes. Este EI é formado por dois módulos: Sistemas Operacionais; e Redes de Computadores. É um componente curricular obrigatório, que tem sido oferecido neste formato desde 2003, com a criação do curso, de forma a atender ao projeto pedagógico. O primeiro módulo está relacionado aos elementos conceituais de projetos de um sistema operacional, com ênfase nos aspectos de concorrência. O segundo módulo aborda aspectos teóricos concernentes à teoria de redes de computadores, com ênfase em comunicação. O EI de Concorrência e Conectividade possui um total de 120 horas, distribuídas entre aulas teóricas (60 horas, sendo 30 horas para cada módulo) e sessões tutoriais (60 horas que integram os dois módulos), com duração de 1 semestre. São 4 horas semanais para as sessões tutoriais, divididas em 2 horas/dia com uma média de 7 alunos por turma e com diferentes tutores. Nestas sessões são apresentados problemas que envolvem elementos de ambos os módulos. Para as aulas teóricas, 4 horas semanais são oferecidas em um formato de aula convencional. Estas aulas são ministradas por um único professor para toda a turma e são utilizadas aulas expositivas, palestras e apresentações para aprofundar assuntos relevantes e abordar temas não cobertos nos problemas discutidos nos grupos tutoriais. Existem ainda consultorias que podem ser realizadas pelos professores durante os horários de aulas expositivas ou em horários extras com encontros individuais nos gabinetes dos professores. 3. Características dos Problemas Um dos aspectos mais importantes para o sucesso da metodologia PBL são os problemas apresentados. Uma vez que os problemas antecedem a apresentação dos conceitos, eles

3 devem ser elaborados de forma a possibilitar a obtenção dos objetivos de aprendizagem. Barbara Duch et al. (2001) destaca 5 características relevantes para um bom problema: 1. Um problema deve motivar os estudantes. Inserir elementos próximos da realidade dos estudantes é uma estratégia usada para tornar os problemas mais atraentes e motivar os estudantes na busca de soluções. 2. Os problemas devem levar os estudantes a tomar decisões ou realizar julgamentos, baseados em fatos, informações e/ou argumentações lógicas. Os problemas devem conduzir os estudantes para a construção dos argumentos e busca de informações. Isso não quer dizer que todas as informações do problema devem ser relevantes para sua solução. Além disso, alguns problemas podem ser projetados para fornecer informações em diferentes etapas durante a sua solução. 3. Os problemas devem ser complexos o bastante para que seja necessária a cooperação de todos os membros em sua solução. A complexidade deve ser pensada de forma que seja possível adotar a estratégia de dividir para conquistar, ou seja, separar o problema em partes mais simples para simplificar sua solução. 4. As questões iniciais dos problemas devem ser abertas, baseadas em conhecimentos prévios e/ou controversas, de forma a proporcionar discussão entre os alunos. Este aspecto desperta o sentimento de grupo entre os estudantes. 5. Os objetivos de aprendizagem devem ser incorporados ao problema. Alguns autores propõem que estes objetivos sejam apresentados somente depois da solução. Neste trabalho, será analisada a experiência na oferta do EI de Concorrência e Conectividade em Neste EI foram propostos 4 problemas. A elaboração dos problemas foi um processo colaborativo entre os tutores. Para cada problema foi definido um tema, os objetivos de aprendizagem, uma descrição do problema, um cronograma dos tutoriais e aulas, bem como os prazos para a entrega da solução, especificação do produto a ser entregue e um detalhamento de recursos de aprendizagem. Os problemas neste EI envolveram a execução de projetos com desenvolvimento de produtos, sejam relatórios e/ou programas, com entrega individual ou em duplas. Na Figura 1, é apresentado um modelo dos problemas propostos, contendo os tópicos Título, Tema, Objetivos e Cronograma. O Título é uma descrição sucinta do problema. O Tema pode ser abrangente de forma a demonstrar que mais de um assunto pode ser coberto no problema. Os Objetivos não necessariamente precisam estar todos relacionados ao tema do problema. Há objetivos menos relevantes que são desejáveis para a solução do problema, mas não são essenciais para compreensão dos conceitos centrais abordados. No modelo em questão, objetivos como Aprender a utilização de sockets em Java e Utilizar a API JMF da linguagem Java para desenvolver aplicações multimídia em tempo real são alguns exemplos, uma vez que os objetivos centrais para este problema especificamente foram a compreensão do conceito de protocolo de comunicação e dos problemas centrais do desenvolvimento de aplicações distribuídas. Problema: Informações distribuídas e multimídia em tempo real Tema: Organização e recuperação de informações, comunicação por sockets, multimídia em tempo real.

4 Objetivos: Compreender questões envolvendo informações distribuídas; Estudar e implementar estruturas para organização de informações hierárquicas; Desenvolver um protocolo para recuperação de informações remotas; Aprender a utilização sockets na linguagem Java; Conhecer as características das comunicações multimídia em tempo real; Utilizar a API JMF da linguagem Java para desenvolver aplicações multimídia em tempo real; Cronograma: SEMANA DIA TUTORIAL 1 13/06 Problema /06 Problema /06 Problema /06 Feriado 3 27/06 Problema /07 Problema /07 Problema /07 Problema /07 Entrega do produto. Apresentação de um novo problema. Figura 1: Parte inicial de um problema Na Figura 2, é apresentada a parte final de um modelo de problema. São apresentados os tópicos Problema, Produto e Recursos de Aprendizagem. O tópico Problema é apresentado de forma a aproximar os temas tratados da realidade do aluno, com o objetivo de motivá-lo para a busca de uma solução. No Produto é solicitado o material a ser entregue pelos alunos. E no tópico Recursos de Aprendizagem são apresentados alguns materiais que abordam os temas em questão. Problema: Sua empresa foi contratada para desenvolver uma solução de rádio personalizada na Internet. Nessa solução, deve ser criado um servidor com músicas no formato mp3 e clientes para receber, em tempo real, o áudio enviado pelo servidor. As implementações devem ser flexíveis e altamente configuráveis pelos usuários. No contrato de prestação de serviços, foram apresentas as seguintes especificações técnicas: O servidor que será a estação de rádio deve manter um serviço de diretório online com as informações sobre as músicas que o servidor possui. Nesse diretório devem estar presentes três níveis de hierarquia. O primeiro nível contém os gêneros musicais (ex: jazz, blues, clássico, forro e mpb), o segundo nível contem as bandas (ex: Green Day, Janis Joplin, The Doors, Chico Buarque, Muddy Waters e Aviões do Forro) e o terceiro nível contem as musicas (ex: Stand By Me, Meu Caro Amigo). Cada música possui uma localização nessa estrutura. Por exemplo, Ligia.mp3 pertence ao nó Chico Buarque, que pertence ao nó MPB. Para construir essa estrutura de informações, o servidor deve ler as configurações a partir de um arquivo. Que estrutura esse arquivo terá vai depender do projeto da sua solução. A implementação deve diferenciar claramente as informações hierarquizadas sobre a música e o arquivo que contém a própria música (formato mp3). Os programas clientes devem acessar o servidor para tocar as musicas. Para isso, deve ser criado um protocolo para consultar as informações sobre as musicas contidas no servidor. Esse

5 procedimento é apenas de consulta. Afinal, o programa cliente precisa saber quais músicas estão disponíveis na rádio. Os programas clientes podem querer saber todas as músicas que o servidor possui. Podem querer saber também todos os gêneros musicais ou todas as bandas. Podem querer saber, por exemplo, todas as músicas de Ivete Sangalo. O protocolo deve permitir todas essas operações de busca. Após saber quais músicas ele quer tocar, o protocolo desenvolvido deve permitir que o programa cliente indique a(s) música(s) que ele quer ouvir naquele momento. A indicação pode ser, por exemplo, da seguinte forma: /mpb/chicobuarque/ligia. Esse identificador pode representar a música ligia.mp3 ou 1.mp3, por exemplo, já que o nome do arquivo com formato mp3 é irrelevante para o cliente da comunicação. O servidor deve ter o mapeamento correto entre o identificador e o arquivo com a música. Após escolhida a(s) música(s), o servidor inicia a transmissão, em tempo real, de cada uma das músicas para o programa cliente, uma de cada vez. Essa transmissão pode ser de uma ou mais músicas. Caso seja de mais de uma, a ordem de transmissão deverá ser indicada pelo protocolo que será desenvolvido. O cliente executa um player de áudio para a música recebida em tempo real pela rede. Em nenhuma hipótese o arquivo que contém a música é copiado do servidor para o cliente. Nem o cliente deve armazenar localmente a música após ser tocada. Produto: Você deve entregar os dois programas, tanto o cliente quanto o servidor. Um dos pontos principais desse problema, que é o protocolo de consulta das informações mantidas no servidor e de indicação das músicas a serem tocadas, deve estar, obviamente, implementado em ambos os programas. Você deve entregar também um relatório técnico, em formato SBC, com uma descrição da solução desenvolvida. O relatório deve conter, no máximo, 10 páginas. As soluções apresentadas devem ser discutidas também do ponto de vista teórico e não somente com a apresentação do código que soluciona o problema. O protocolo desenvolvido deve ser especificado no relatório. Recursos para Aprendizagem: COMER, D. E. Interligação em Rede com TCP/IP: Princípios, Protocolos e Arquitetura, Rio de Janeiro, Campus, COSTA, Daniel Gouveia. Comunicações Multimídia na Internet Da Teoria à Prática. Rio de Janeiro, Brasport, COSTA, Daniel Gouveia. Java em Rede Programação Distribuída na Internet. Rio de Janeiro, Brasport, DEITEL, H. M., DEITEL, P. J., Java: Como Programar, 6ª ed., São Paulo, Bookman, KUROSE, J., ROSS, K. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. Addison-Wesley, SUN MICROSYSTEMS, Java Tutorial: Custom Networking, TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. 3. ed., Rio de Janeiro: Campus, Figura 2: Tópicos Problema, Produto e Recursos de Aprendizagem de um problema Problemas Aplicados no Estudo Integrado de Concorrência e Conectividade Para o EI analisado neste trabalho foram aplicados quatro problemas. O primeiro deles foi entregue na primeira semana de aula, com um prazo de 3 semanas para a solução. Um conjunto de 5 programas envolvendo problemas clássicos de concorrência foram entregues. Todos com uma interface rica em elementos gráficos para simplificar a compreensão. Todos os programas continham problemas de implementação que causavam erros ou degradação do sistema, que eram facilmente notados nos elementos gráficos. Os alunos foram incentivados a identificar os problemas, destacar os aspectos teóricos que os causavam e corrigi-los. Os produtos solicitados foram um relatório com as discussões teóricas e os programas corrigidos. O segundo problema teve um prazo de 4 semanas e envolveu a construção de um sistema de informações distribuídas e multimídia em tempo real. Foi apresentado o desafio lançado por uma empresa fictícia para desenvolvimento de um sistema servidor de arquivos mp3. O sistema deveria ser voltado para Internet e permitir a vários usuários de

6 Pontuação Aluno diferentes estações solicitar e receber arquivos de música em tempo real. As músicas deveriam ser ouvidas ao mesmo tempo em que eram transferidas para a estação do usuário. Os objetivos centrais do problema foram: a definição de protocolos de comunicação e as dificuldades de implementação da comunicação entre os elementos do sistema. Os produtos solicitados foram o programa e um relatório que explicitasse os conceitos trabalhados e apresentasse uma visão arquitetural do programa. O terceiro problema, de caráter mais lúdico, foi baseado em um filme que envolvia a proteção de um castelo por guardas de um rei denominado Pantaleão. Foi dado um prazo de 4 semanas e foi solicitado um sistema de sorteio para a troca de guardas na defesa do castelo. O objetivo era que o sistema realizasse a menor quantidade de troca possível entre os guardas no castelo e os que estavam descansando. Os conceitos por trás desta proposta estavam intrinsecamente relacionados às questões de gerenciamento de memória virtual realizados por um sistema operacional, onde se busca minimizar a troca de páginas entre a memória principal e o disco rígido. Também neste caso foram solicitados como produtos um relatório e um programa. O quarto problema foi composto por características tipicamente enfrentadas por profissionais que trabalham com redes de computadores. O objetivo foi projetar uma rede para atender a uma área composta por alguns prédios. A planta local foi passada para os alunos e foi solicitada a elaboração de um projeto físico, lógico, planos de segurança e de serviços oferecidos pela rede. O prazo para a solução foi de 4 semanas e o produto foi um relatório técnico e uma apresentação destacando os pontos principais do projeto de redes. 4. AVALIAÇÕES NO ESTUDO INTEGRADO A avaliação de um EI é formada por uma composição de elementos. São consideradas duas avaliações: avaliação dos produtos elaborados a partir dos problemas e avaliação de desempenho durante sessões tutoriais. A avaliação do produto é composta pela análise de um programa desenvolvido e/ou um relatório com resultados e conceitos teóricos pertinentes para o problema, além de uma sessão denominada bate-bola. Para a realização desta sessão, um barema de avaliação foi definido em função dos objetivos que deveriam ser atendidos em cada problema. Os baremas foram elaborados para tornar único o critério de avaliação por parte dos tutores para os produtos. Na Figura 3, é apresentado o barema correspondente ao problema das Figuras 1 e 2. ITEM ASPECTO Formatação e Estilo Organização do texto, normas SBC 0,50 Gramática e ortografia 0,50 Conteúdo Teórico Introdução coerente e motivadora 0,50 Conceitos teóricos corretos e adequados 1,00 Referências apropriadas e citadas no texto 0,50 Solução Resultado e detalhamento da solução * 6,50 Conclusões sobre o projeto 0,50 PENALIZAÇÕES (Atraso, ausência de cópia impressa, cópias de texto, etc.) PRODUTO - PENALIZAÇÕES PRODUTO CORRIGIDO (PC) BATE-BOLA (BB) (de -5 a 0)

7 NOTA FINAL DO PRODUTO (PC BB) DESEMPENHO (Média das notas dos encontros) NOTA FINAL DO PROBLEMA *RESULTADO Funcionamento correto 1,50 Protocolo de comunicação (projeto) 1,50 Protocolo de comunicação (implementação) 1,50 Estruturas de dados para organização das músicas 1,00 Interface gráfica (usabilidade e aparência) 1,00 Figura 3 Barema utilizado para avaliar o produto gerado pelo problema apresentado nas Figuras 1 e 2. Como pode ser observado na Figura 3, a formatação e estilo do relatório foram considerados (1,0 ponto), bem como a introdução (0,5 ponto), o conteúdo teórico (1,0), a conclusão (0,5) e as referências utilizadas (0,5), além da solução do problema (6,5). Penalizações também foram aplicadas nos casos de atraso, ausência de cópia impressa e cópias de textos entre os alunos. Com a soma destes itens tem-se a nota do produto. No bate-bola, o tutor discute individualmente sobre o produto com o aluno, que apresenta sua solução e demonstra conhecimentos adquiridos. O tutor diagnostica o aprendizado, aponta deficiências no aprendizado e esclarece pontos que não foram tratados durante os encontros tutoriais, realimentando o processo de aprendizagem. Neste momento o tutor faz uma avaliação, aplicando um conceito (BB) que vai de 0 à -5, conforme apresentado na Figura 3. O conceito 0 foi aplicado ao aluno que demonstrou ter adquirido todos conhecimentos de acordo com os objetivos que deveriam ser atingidos pelo problema, e -5 para o aluno que não conseguiu atingir nenhum dos conhecimentos propostos com o problema. Em geral, depois do bate-bola os alunos têm oportunidade de corrigir seu produto (PC) demonstrando o aprendizado dos pontos falhos apontados pelo tutor, aprofundando a discussão e compreensão destes, e melhorando a avaliação dos produtos elaborados. Além das avaliações dos produtos, uma nota de desempenho completa a avaliação do aluno no EI. Esta nota reflete participação, envolvimento, comprometimento nos encontros da sessão tutorial, contribuições trazidas, cumprimento de metas definidas em cada encontro, organização dos trabalhos do grupo, entre outras habilidades relacionadas à dinâmica em grupo. A nota de desempenho foi atribuída pelo tutor a cada aluno ao final de cada encontro da sessão tutorial, justificando a nota com base nos objetivos de desempenho Depois de alguns encontros e familiarização dos alunos com os critérios de avaliação, iniciou-se um processo de auto-avaliação de cada aluno, que atribuía sua nota e a justificava para todos do grupo. Para os Módulos são consideradas avaliações aplicadas pelo professor responsável por toda a turma. Para este EI, as avaliações dos Módulos foram provas escritas, aplicadas duas em cada módulo. Na avaliação final do Módulo, no entanto, é considerada também a avaliação dos produtos produzidos para os problemas. Vale destacar a importância da avaliação do produto, que entra na composição tanto dos Módulos, como do EI, já que os produtos refletem conteúdos de forma integradora.

8 5. Discussões Neste EI pôde-se verificar que o método PBL contribui para a aprendizagem de atitudes e habilidades necessárias na vida acadêmica, profissional e social dos alunos, como a busca do conhecimento individualmente e em grupo, determinação, responsabilidade, capacidade de comunicação, organização e tomada de decisões. Outro aspecto importante é a possibilidade que o aluno teve de se auto-avaliar. Os alunos demonstraram dificuldade na realização da auto-avaliação, uma vez que eles necessitam fazer uma auto-análise e justificar sua nota a partir dos critérios de avaliação. No entanto, esta atitude faz com seja desenvolvida no aluno a capacidade de se autoanalisar e a percepção das dificuldades do processo de avaliação e da necessidade de critérios bem estabelecidos. Para os tutores/professores, há vivências positivas específicas da metodologia, como o trabalho em equipe para discutir problemas, andamento dos grupos tutoriais, e critérios de avaliação. Entretanto, algumas dificuldades foram encontradas: a elaboração de bons problemas/projetos relacionados com problemas reais e motivadores; a dificuldade de integrar os conceitos dos módulos; e a necessidade de uma carga horária mais elevada para interação entre tutores/professores. 6. Conclusões Através das experiências vivenciadas no EI de Concorrência e Conectividade é possível observar que o PBL pode ser aplicado ao ensino de SO e Redes de Computadores, porém, o sucesso do método está diretamente relacionado ao preparo e comprometimento dos professores (capacidade de elaborar problemas ligados ao mundo real, reuniões periódicas para discussão dos problemas e andamento dos grupos) e alunos (aprender fora da sala de aula, trabalhar em equipe), uma vez que este método possui suas peculiaridades. Isso implica em um esforço maior por parte dos professores, tutores e alunos, do que se comparado aos métodos tradicionais de ensino. Referências Boud, D. & Feletti, G. (1997). The Challenge of Problem-Based Learning. Kogan Page, London. Delisle, R. (1997). How to use problem-based learning in the classroom. ASCD: Alexandria, Virgina, EUA. Duch, B. J., Groh, S. E. & Allen, D. E. (2001). The Power of Problem-Based Learning: a practial how to for reaching undergraduate courses in any discipline. Virginia: Stylus Publishing, LLC. Oliveira, W. L. A.; Arruda, G. H. M.; Bittencourt, R. A. (2007). Uso do Método PBL no Ensino de Arquitetura de Computadores. Proceedings of the 2007 International Conference on Engineering and Computer Education, Monguaguá, Santos. Ribeiro, L. R. C (2008). Aprendizagem Baseada em Problemas (PBL) na Educação em Engenharia. Revista de Ensino de Engenharia, v. 27, n. 2, p Santos, D. M. B.; Saba, H.; Rocha, J.; Sarinho, V. (2007). Aplicando project-based learning no estudo integrado de engenharia de software, análise e projeto de sistemas e

9 banco de dados. Anais do XXXV Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Curitiba (PR). Santos, J. A. M.; Angelo, M. F.; Loula, A. (2008). Utilização do método PBL em um Estudo Integrado de Programação. Anais do XXXVI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, São Paulo (SP). UEFS. (2004). Resolução CONSEPE 40/2004, Regulamenta a oferta dos componentes curriculares Módulo Isolado e Estudo Integrado para o curso de graduação em Engenharia de Computação. Universidade Estadual de Feira de Santana, Feira de Santana. Woods, D. R. (1996). Problem-based Learning: resources to gain the most from PBL. Waterdown, ON.