AMBIENTE COMPUTACIONAL PARA ENSINO DE NEUROFISIOLOGIA

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1 AMBIENTE COMPUTACIONAL PARA ENSINO DE NEUROFISIOLOGIA Sheila Ballmann Vedana Universidade do Planalto Catarinense (UNIPLAC), Dep. de Ciências Exatas e Tecnologia Av. Castelo Branco, 170 Bairro Universitário Lages SC Brasil Eliane Pozzebon Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) - Pós-Graduação em Ciência da Computação Campus Universitário Trindade Florianópolis SC Maria A F. Almeida Pontificia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas) Rua Yolando S. Logli, B. Industrial II CEP: Arcos MG Jorge M Barreto Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) - Pós-Graduação em Ciência da Computação Campus Universitário Trindade Florianópolis SC Abstract. This paper presents an application of the Hypertomata model. The hypertomata systems are theoretical models of hypermedia systems as automata. These models, independent of the application domain, were used in the conception of a web-based system for teaching/learning basics concepts about Neurophysiology. Key-words: Hypermedia; teaching/learning; Neurophysiology. Resumo. Este artigo apresenta uma aplicação da modelagem Hipertômatos. Os sistemas hipertômatos são modelos teóricos de sistemas hipermídia como autômatos. Estes modelos, independentes do domínio de aplicação, foram aqui utilizados na concepção de um sistema, via rede, de ensino-aprendizagem de conceitos básicos de Neurofisiologia. Palavras-chave: Hipermídia; Ensino-Aprendizagem; Neurofisiologia. 1.Introdução O computador pode ser considerado uma das mídias que mais possuem recursos flexíveis, dentre os diversos meios utilizados para o desenvolvimento de habilidades dos alunos, como jogos, vídeos e dramatização. Programas educacionais desenvolvidos com técnicas hipermídia proporcionam ao aluno a possibilidade de interagir com o sistema, além de permitirem o acesso a um vasto número de informações através de gráficos, textos, som e imagem. Esses elementos tornam a interface gráfica mais interessante, fazendo com que a aprendizagem aconteça de forma mais agradável. A intenção deste trabalho é mostrar que, com o auxílio de um modelo computacional no ensino de Neurofisiologia, o estudo torna-se mais interessante, principalmente se fizer uso de técnicas hipermídia. O trabalho utiliza a modelagem hipertômato (hipermídia como autômato) do modelo de hipertômato proposto por Almeida (2001). Uma grande motivação para o desenvolvimento da aplicação é o trabalho de Kreutz (2001) que desenvolveu um sistema, via rede de computadores, para ensino de conceitos básicos de fisiologia cardíaca. 2. Computador no ensino ENEGEP 2002 ABEPRO 1

2 Segundo Taylor, no contexto educacional, o computador pode ser utilizado de várias formas: modo tutor, modo tutorado e ferramenta. No modo tutor, o computador assume o papel de professor, orientando o aprendizado ao aluno. Esta abordagem é fundamentada nos métodos de instrução programada tradicionais, uma vez que o computador orienta o aprendizado, acompanha o desenvolvimento e ao término de cada lição avalia o nível de conhecimento do estudante. Este só poderá passar para lição seguinte se tiver atingido um nível previamente determinado. Na concepção de ambientes em que o computador assume estas características é necessário planejar a quantidade e seqüência dos conteúdos apresentados, bem como as atividades oferecidas. Os conteúdos deverão ser exibidos em pequenas porções e as atividades aplicadas ao término de cada lição deverão exigir respostas ativas e padronizadas, permitindo uma avaliação imediata e subseqüente apresentação de atividades de reforço. Atendendo a estes requisitos o computador será capaz de apresentar os conteúdos num ritmo próprio de cada aluno (KREUTZ, 2001). No modo tutorado, o computador é conduzido pelo aluno, que tem total liberdade de ação. Nesta abordagem a aprendizagem é conseqüência da exploração e descoberta do estudante, visto que este não tem conhecimento prévio de quais atividades que deverão ser desenvolvidas. No modo ferramenta, o computador apenas auxilia as atividades desenvolvidas facilitando o processo de aprendizagem. Pode-se citar como exemplo desta classe os processadores de texto, editor de imagens etc. 3. Descrição do Ambiente Computacional 3.1. Descrição Computacional Sistemas Hipertexto Nos documentos tradicionais as informações são apresentadas de forma linear, ou seja, de forma seqüencial. No processo linear, a consulta do documento segue apenas um contexto o qual é definido explicitamente pelo autor, e caso a consulta seja efetuada de forma diferente, a informação perde toda a contextualização (KREUTZ, 2000 e 2001). Nos documentos hipertexto a informação não é mais acessada de forma linear. Um mesmo documento pode ser contextualizado de diferentes formas, dependendo dos caminhos que o leitor quer percorrer. Um nodo, é considerado a unidade mínima de informação, e contém um trecho de informação definida pelo autor. Um nodo é quase sempre associado a uma janela exibida na tela, e sua manipulação tenta imitar o manuseio de livros. Ele deve conter informações bem delimitadas com relação à um determinado assunto, de forma que haja possibilidade de reutilizá-lo em outros lugares quando o mesmo assunto for referenciado (KREUTZ, 2001). Em uma base de dados os nodos possuem uma relação um para um com a janela mostrada na tela, isto é, nodos de informação são mostrados por uma janela. As janelas podem ser reposicionadas, fechadas, ter seus tamanhos alterados, ou ser temporariamente abandonadas. A posição, tamanho, forma e cor de uma janela pode servir para identificar o seu conteúdo ou tipo. Uma ou mais janelas podem ser abertas na tela ao mesmo tempo. ENEGEP 2002 ABEPRO 2

3 As operações na janela refletem nas operações do conteúdo do nodo. Através de um navegador interativo, pode-se visualizar os nodos. O navegador permite ao usuário o acesso direto a um documento ou a qualquer nodo visível sobre o documento (KREUTZ, 2001). As ligações entre os nodos representam o relacionamento definido pelo autor entre dois trechos de informação. Um nodo é exibido na tela, com uma ou mais palavras marcadas e o usuário ativa uma ligação, abrindo uma janela de novas informações na tela. Um documento pode ter uma ou mais ligações e elas podem ser unidirecionais ou bidirecionais. As ligações unidirecionais permitem percorrer em apenas um sentido enquanto que ligações bidirecionais permitem o retorno do nodo à origem (KREUTZ, 2001). Na figura 1 as ligações são representadas pelas setas. A vantagem de um hipertexto, num documento WWW, é que se quiser mais informação sobre um determinado assunto, é só clicar sobre ele para ler mais detalhes. Na verdade, documentos podem ser, e freqüentemente são, ligados com outros documentos por autores completamente diferentes, assim como fazendo anotações nos rodapés das páginas de um livro. Um hipertexto é, então, um texto com ponteiros para outros textos de forma que um programa possa interpretar estes ponteiros e acessar estes outros textos referenciados, se assim solicitado Multimídia A combinação de texto, arte gráfica, som, animação e vídeo transmitida e manipulada pelo computador pode ser denominada multimídia. A multimídia faz com que as informações fiquem mais atraentes e sejam tratadas de forma mais clara e fácil. Desta forma, ela tem sido muito utilizada para prender a atenção de usuários e manter seu interesse durante uma apresentação, usando a combinação de elementos para criar uma combinação visual dinâmica e de maneira mais efetiva (gráficos de alta definição, linguagem natural falada). O que anteriormente era apenas um texto estático sobre uma tela, tornou-se um texto envolvendo muitas mídias Hipermídia Hipermídia é definida como uma apresentação dinâmica e não linear de informações, que utiliza o conceito de multimídia para enriquecer a forma de apresentação. Através da hipermídia o usuário pode mover-se livremente através da informação, escolhendo a ordem em que deseja acessá-las. Muitas vezes uma aplicação multimídia é confundida com aplicações hipermídia. Reconhecer uma aplicação hipermídia depende muito mais da interface com o usuário do que com os aspectos específicos do sistema, comandos ou estruturas de dados (KREUTZ, 2001) Hipertexto como Autômato Um modelo formal de hipertexto ou de hipermídia (o computador gerencia vários meios para apresentar a informação e isto justifica porque as implementações de hipertexto são as vezes denominadas de hipermídia), pode ser fundamentado na Teoria de Autômatos, incorporando não somente os aspectos declarativos do sistema (por exemplo, o diagrama de transição), mas também aspectos dinâmicos (a evolução no tempo do autômato em resposta a qualquer seqüencia de entrada de dados). ENEGEP 2002 ABEPRO 3

4 Um autômato pode ser considerado como uma particularização de um sistema dinâmico, que varia com o tempo. Em um sistema dinâmico descreve-se um sistema como se estivesse descrevendo o mecanismo de como ele trabalha (internamente), especificando como o conjunto dos estados varia com o tempo. Tal descrição é suficiente para gerar uma definição comportamental. Um autômato é um sistema dinâmico invariante e discreto no tempo. Quando o espaço de estados é um conjunto finito, o autômato é chamado de autômato finito. Então, esta séxtupla formal é interpretada como sendo uma descrição matemática à qual, se no tempo t0, estiver no estado x0 e receber uma segmento de entrada u do tempo t0 ao tempo t estará no tempo t no estado λ (x,u) e emitirá a saída η(x,u). A introdução de características dinâmicas parece aumentar as possibilidades do hipertexto em ambientes de aprendizagem computadorizados, conforme demonstrados em Pagano. Para exemplificar a figura 2 mostra um autômato com alfabeto de entrada U = {0,1}, alfabeto de saída Y = {α,β} e o conjunto de estados X = {x 1 = A, x 2 = B, x 3 = C }. FIGURA 2: Exemplo de um autômato finito Definição: Um sistema computacional, denominado hipertexto, pode ser convenientemente definido como autômato. Assim, um hipertexto H p é descrito como a sextupla: (PAGANO, R. & BARRETO, 1992) H p = {U, Y, X, x 0, ρ, δ} Onde: U é o alfabeto finito de entrada, Y é o alfabeto finito de saída, X é o espaço de estado finito, X 0 X 0 X é o estado inicial, ρ: U x X X é a função de transição de estados. δ: U x X Y é a função de saída do próximo estado O alfabeto de entrada U do hipertexto H p é o conjunto de valores que o usuário pode introduzir no sistema, através do teclado, mouse ou qualquer outro dispositivo. As ações, como mudança de tamanho de uma janela, acionamento de botão etc, geram o alfabeto de entrada. O conceito de estado conduz ao aspecto dinâmico de hipertexto. A possibilidade de apresentação simultânea de nós de um hipertexto é essencialmente uma porção deste modelo através do conceito de estado. Se cada nó de informação é associado, por exemplo, com uma janela na tela do computador (uma forma possível de saída), então um conjunto de janelas na tela caracteriza um estado x do hipertexto H p. ENEGEP 2002 ABEPRO 4

5 O estado inicial x 0 X 0 X do hipertexto H p é qualquer estado no qual o usuário pode começar a navegar no documento. Pode existir um ou mais estados iniciais (configuração de nós) dos quais, por exemplo, um pode iniciar a localização de uma base de dados. X 0 é o conjunto de todos os estados iniciais possíveis e um subconjunto de todos os estados possíveis. A função de transição pode ser referida como uma ligação (link) que conecta o hipertexto como um todo. A função de transição ρ do hipertexto H p é a função que conduz o sistema hipertexto de um estado ao outro, dada uma seqüência de dados de entrada. O usuário poderá notar a transição de estado a outro se o conjunto de nós apresentados a ele em um novo estado tem valores de saída diferentes do estado anterior. O alfabeto de saída Y de um hipertexto H p inclui todas as formas de representação da informação que são vistas pelo usuário na tela. O tamanho e a forma de cada janela na tela, sua posições relativas, gráficos, sons, vídeo etc, caracterizam uma alfabeto de saída. A função de transição δ de um hipertexto H p é uma função que, dada uma seqüência de entrada e um estado, oferece a informação e sua representação na tela ou em qualquer outro dispositivo. As possibilidades de apresentação dependerão da riqueza do alfabeto de saída. A função δ possui valores no alfabeto de saída, um conjunto de meios de apresentação que depende do estado dado e do alfabeto de entrada. Se cada nó de informação é associado, por exemplo, com uma janela na tela do computador (uma forma possível de entrada), então um conjunto de janelas na tela caracteriza um estado x do hipertexto. Se a cada nó de informação é associado, por exemplo, com uma janela na tela do computador (uma forma possível de entrada), então um conjunto de janelas na tela caracteriza um estado x do hipertexto DESCRIÇÃO FUNCIONAL Modelagem do ambiente Esta seção mostra a aplicação do modelo hipertômato no desenvolvimento do protótipo para Ensino de Neurofisiologia. Inicialmente foi definido a estrutura do bloco de apresentação que consiste de duas molduras: uma contendo a tela principal do protótipo e outra um mapa de navegação. Isto permite ao usuário selecionar o assunto de seu interesse. Um segundo bloco apresenta informações sobre a célula biológica, sua definição, classificação e composição. Faz parte deste bloco a página que aborda os assuntos sobre organelas.o neurônio é mostrado no terceiro bloco instruindo sobre sua função e principais partes. Pertencem a este bloco, as páginas do impulso nervoso e da sinapse. O quarto e último bloco apresenta informações sobre o sistema nervoso distribuídas em quatro páginas: sistema nervoso, sistema nervoso central, sistema nervoso periférico e sistema nervoso autônomo. Estes blocos podem conter um ou mais nós de informações conectados a outros documentos do mesmo bloco ou a blocos distintos. O modelo hipertômato permite a visualização de todos os nós (estados) do sistema e das ligações (transições de estado) que poderão ocorrer quando da navegação do usuário no sistema. A grande vantagem da concepção do sistema através desta modelagem é a garantia de que todos os estados do ambiente sejam alcançáveis. Ou seja, muitos dos problemas de navegação (perda do usuário no espaço de informações, páginas não ENEGEP 2002 ABEPRO 5

6 encontradas) e que na maioria das vezes dependem dos aspectos construtivos dos sistemas podem ser evitados. Em relação à figura 3, que mostra o modelo hipertômato deste sistema, tem-se que o usuário inicia a navegação do sistema tipo "espinha dorsal" no nó 1 (estado inicial) onde é feito a apresentação do mesmo com recursos na Web internos e externos. Em seguida, o mesmo poderá seguir o percurso no nó 2 que contém os tópicos de apresentação da célula biológica. Deste, poderá percorrer o nó 3 que trata o neurônio e em seguida o nó quatro (sistema nervoso). Nota-se que os nós possuem retorno e conexões para outros nós (nós de detalhamento). A partir do nó quatro ele poderá percorrer o nó 5 que apresenta o mapa do site. Finalmente o usuário atinge o nó 6 (estado final) e sai do sistema. FIGURA 3 : Grafo de implementação do sistema modelado como hipertômato A esta modelagem segue-se a implementação com a ferramenta de autoria levando em consideração os paradigmas educacionais. Na concepção deste protótipo não foram colocadas características que poderiam auxiliar a aprendizagem tais como simulações, práticas e exercícios. Entretanto, uma outra vantagem de modelagem hipertômato é a facilidade no entendimento e mudanças no grafo do hipertômato. Isto facilita atualizações. 4. IMPLEMENTAÇÃO E TESTE DO AMBIENTE COMPUTACIONAL 4.1. Descrição do conteúdo O protótipo implementado exibe a teoria a respeito da anatomia e fisiologia do sistema nervoso, bem como imagens, animações e vídeo que representam os tópicos estudados. O conteúdo apresentado está dividido em nodos, sendo que cada um deles apresenta de forma bem definida o assunto a ser estudado. Isto possibilita que os mesmos sejam alterados e modificados com facilidade dependendo do estilo e necessidade de cada professor. As partes principais do sistema são apresentadas através dos seguintes tópicos: Célula Biológica: Este tópico apresenta ao aluno informações à respeito da constituição, funcionamento e classificação das células. Suas principais partes como, citoplasma, organelas e núcleo, são descritas. Apresenta figura esquemática das estruturas que a compõem e da membrana que a envolve. Este parte do sistema possui um ligação com outro nodo que descreve as organelas que se encontram mergulhadas no citoplasma da célula. Este possui ilustrações e animação representando as estruturas estudadas. Uma tela representando o sistema está representada na figura 4. ENEGEP 2002 ABEPRO 6

7 FIGURA 4: Parte intermediária da página da célula biológica Neurônio: Esta seção apresenta as principais partes do neurônio e suas funções. A ilustração inserida abaixo descreve as partes da célula nervosa. Contém ligações bidirecionais para outros dois nodos: Impulso Nervoso - Explica através de textos e ilustrações como um neurônio que se encontra no estado de potencial de repouso sofre o potencial de ação. Sinapse - Através de texto, ilustração e animação o leitor poderá entender como os impulsos nervosos são transmitidos de um neurônio ao outro. Sistema Nervoso: Nesta parte do sistema, inicialmente faz-se uma introdução à respeito do sistema nervoso demonstrando através de ilustração a sua estrutura. Por motivos didáticos este sistema é dividido em dois tópicos: Sistema nervoso central - Detalha o funcionamento deste sistema destacando suas principais partes. Sistema nervoso periférico - Explica como as mensagens são transmitidas de uma parte a outra do indivíduo e quais os elementos que compõem este sistema. Este tópico possui uma ligação bidirecional para outro nodo: sistema nervoso autônomo, que descreve o funcionamento involuntário do sistema nervoso sobre os vários órgãos do corpo. FIGURA 5 : Exemplo de Telas- Ensinando sobre sistema nervoso 5. CONCLUSÃO Na concepção de ambientes computacionais destinados aos processos de Ensinoaprendizagem deve ser dada uma certa atenção também aos aspectos construtivos. Um ENEGEP 2002 ABEPRO 7

8 sistema construído com a utilização de uma ferramenta formal evita muitos erros de execução devido a um projeto inadequado. Os modelos Hipertômatos utilizam o conceito de sistemas hipertextos/ hipermídia modelados como autômatos. O hipertexto, que inicialmente não era visto como um veículo adequado aos processos de ensino-aprendizagem, neste tutorial mostrou que seu poder de acesso a informação favoreceu o projeto de ambiente de aprendizagem reativos e interativos. O protótipo aqui abordado, desenvolvido na Universidade do Planalto Catarinense para ensino de Neurofisiologia e esta disponível em: Trabalhos futuros poderão incorporar características como práticas, exercícios e simulações via rede. Neste caso, a ferramenta Hipertômato permite a inclusão de aspectos pedagógicos e atualizações posteriores pois é independente do domínio de aplicação e da implementação. 6. REFERÊNCIAS ANGELONI, M.N., KREUTZ, L. S.;BARRETO, J.M., Técnicas de Simulação e Hipermídia Aplicadas ao Ensino na Área Médica, XVII Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica,CBEB 2000, Florianópolis, Santa Catarina, setembro, ANGELONI, M. N. M.; KREUTZ, L. S.; BARRETO, J. M. Hypermedia and Simulation to Teach Cardiac Physilogy. In: Chicago World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Navy Pier, Chicago, IL, 23 a 28 julho de ALMEIDA, M. A. F.& BARRETO, J. M. Implementação de um Sistema Hipermídia como Autômato para Ensino de Inteligência Artificial, I Simpósio Catarinense de Computação, Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, SC, agosto, ALMEIDA, M. A.F. & BARRETO, J. M., Modelagem de um Sistema Hipermídia como Autômato para Ensino de Inteligência Artificial, In: Anais do Congresso Nacional da SBC VI WIE - Workshop de Informática na Escola, v.1, p. 95, Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUC-PR, Curitiba, julho de ALMEIDA, M. A.F., BARRETO, & SANTOS, M. M. D., Um ambiente Computacional para Ensino de Redes Neurais Artificiais, 51a. Reunião Anual da SBPC, PUC-RS, Porto Alegre, julho de PAGANO, R. L. Computer Simulation as an educational tool. Tese de Doutorado. Faculty of Applied Sciences, University of Louvain la Neuve, Belgium, PAGANO, R. & BARRETO, J. M. "Edesys: How to learn medical terminology with a computer program'', 9th International Conference on Technology and Education - ICTE'92, vol. 3, p. p , Paris, PAGANO, R. & BARRETO, J. M. "Hypertext Information Technology in Medical Education'', Proceedings of 6th Mediterranean Electrotehnical Conference - IEEE- MELECON'91, vol. 2, p , Yugoslavia, May, PAGANO, R. & BARRETO, J. M., "Hypertext and the Teaching process'', Facultés Universitaires Notre Dame de la Paix - FUNDP, Instituto de Informática, Relatório Técnico FUNDP/INF/RP90/4, Namur, Bélgica, KREUTZ, L. Modelo Computacional para Ensino de Fisiologia Cardiovascular. Dissertação de Mestrado em Ciência da Computação, Curso de Pós-graduação em Ciência da Computação, Departamento de Informática e de Estatística, UFSC, Florianópolis, ENEGEP 2002 ABEPRO 8