O Sistema SICRE

SICRE: Um Sistema Computacional Construcionista
para Aprendizagem de Matemática
Klaus Schlünzen Junior1, Elisa Tomoe Moriya Schlünzen2, Márcio Fuzeto Gameiro
Universidade Estadual Paulista - UNESP
Faculdade de Ciências e Tecnologia/Departamento de Matemática
Rua Roberto Simonsen, 305, Caixa Postal 957
CEP 19060-900 Presidente Prudente - Brasil
e-mail: [email protected]
1
Doutorando do Departamento de Engenharia de Sistemas da Faculdade de Engenharia Elétrica e de
Computação - Universidade Estadual de Campinas - Unicamp. Desenvolvendo pesquisa no Núcleo de
Informática Aplicada à Educação – Nied – Unicamp.
2
Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Educação: Currículo - Pontifícia Universidade Católica
de São Paulo - PUC. Desenvolvendo pesquisa no Núcleo de Informática Aplicada à Educação – Nied Unicamp.
SICRE: Um Sistema Computacional Construcionista
para Aprendizagem de Matemática
Resumo
SICRE é um sistema computacional construcionista destinado à aprendizagem da
resolução de equações de 1o grau. Sua implementação foi baseada na integração dos
conceitos de ferramentas do tipo “Shell”, específicas para construção rápida de sistemas
especialistas, e na metodologia educacional da linguagem Logo. Assim, o estudante
aprende através do processo de “ensinar” o computador, fornecendo regras à base de
conhecimento, conseguindo formalizar, explicitar e construir o seu conhecimento. O
sistema permite que o aluno, durante a resolução dos exercícios, seja capaz de testar suas
regras e corrigí-las, se necessário.
1 – Introdução
Atualmente, muito se discute sobre as maneiras de se utilizar o computador na
Educação de forma a torná-lo tão útil quanto o é para outros fins. Evidente que o útil,
neste caso, refere-se a sua eficiência pedagógica, ou seja, a sua contribuição efetiva no
processo ensino-aprendizagem.
Talvez seja este o aspecto gerador da grande polêmica que ora se verifica, uma
vez que as formas de utilizar o computador em um ambiente escolar tem ocasionado
muitas discussões entre pesquisadores de Ciências da Computação, educadores,
psicólogos, pais de alunos, enfim toda a comunidade diretamente envolvida neste
processo.
Dentre as formas de utilização do computador na Educação pode-se identificar
duas maneiras distintas. A primeira é aquela em que o computador passa a exercer a
função de quem transmite o conhecimento ao aluno através de um programa (software),
ou seja, ele cumpre um papel semelhante ao de um professor que passa as informações.
Esta categoria é representada por um grande número de sistemas computacionais, que
são utilizados em muitas escolas e abrangem os tutorias, programas de exercício e
prática, simulações e jogos educacionais.
A segunda maneira de utilização dessa ferramenta é aquela na qual o aluno
exerce o papel de quem ensina o computador, também através de um software,
possibilitando ao aluno explicitar suas idéias através deste software. Como
representantes desta categoria podemos citar a linguagem de programação Logo (Papert,
1985), softwares de autoria multimídia, ambientes de modelagem, processadores de
texto, entre outros.
A linguagem Logo é, além de uma linguagem de programação, uma proposta
alternativa interessante para a utilização do computador como uma ferramenta onde o
estudante é completamente independente e livre para criar, construir, observar, enfim
explorar, de inúmeras maneiras a sua capacidade criativa e inovadora. Obviamente, ele
será sempre mediado por um facilitador que tem um papel fundamental no processo
ensino-aprendizagem.
Com o Logo, que atualmente também incorpora recursos de multimídia, a figura
original da “tartaruga” que ao andar deixa um “rastro” na tela do computador, permite
que, com uma programação muito simples, o estudante desenvolva desenhos e projetos
muito interessantes, não apenas na área de Matemática, mas também em outras áreas
como Biologia, Física, Química, entre outras.
A aprendizagem com Logo se dá no instante em que o aluno passa a utilizar a
linguagem para expressar seu entendimento sobre um determinado assunto. Ele é capaz
de dar uma descrição precisa de suas idéias, e ao mesmo tempo observar se estas idéias
são corretas, refletindo sobre as respostas obtidas do computador e identificando as
maneiras de corrigí-las, caso necessário.
A utilização de Logo em ambientes escolares tem sido crescente, não só a níveis
de 1o e 2o graus (Valente, 1993), como também a nível de ensino superior (Rocha,
1991), onde diversos experimentos tem sido realizados.
Apesar de haver muito mais a ser discutido sobre Logo, para este trabalho é
relevante destacar o fato de que está sendo proposto um sistema computacional,
denominado Sistema Computacional para Resolução de Equações de 1o grau - SICRE,
cuja concepção tem origem em ferramentas para desenvolvimento de sistemas
especialistas mas pautado na metodologia Logo, onde o aluno aprende através do
processo de formalizar, explicitar, construir e testar seu conhecimento, “ensinando” o
computador, e cuja abordagem está embasada em um procedimento cíclico de
descrição, execução, reflexão e depuração do conhecimento (Valente, 1993), ou seja,
em uma abordagem construcionista (Papert, 1994).
Os resultados da utilização do sistema SICRE em um ambiente escolar podem
ser encontrados em Schlünzen, Schlünzen, e Gameiro (1997), que revelam interessantes
aspectos relacionados ao processo ensino-aprendizagem.
2 – Sistemas Especialistas na Educação
Na década de 70 surgiram os sistemas tutores inteligentes (Sleeman & Brown,
1982; Wenger, 1987), que representaram uma melhoria considerável no desempenho
dos sistemas educacionais anteriores, pois passaram a avaliar não apenas o conteúdo
apresentado, mas também a fazer análise das respostas e dos erros dos estudantes,
apresentando um diagnóstico destes erros e suas possíveis soluções. Basicamente, estes
sistemas dialogam com o estudante e usam erros identificados nas respostas dos alunos
para detectar a fonte das dificuldades, criando modelos de usuários que os identifiquem.
Assim, com base na sua possibilidade de dialogar com o estudante, estes sistemas
podem ser considerados como tutoriais, pois instruem o aluno em uma determinada
área do conhecimento.
O desenvolvimento dos sistemas tutores sofreu uma alteração significativa, a
partir da utilização de Sistemas Especialistas (Harmon, Maus & Morrissey, 1988;
Harmon & King, 1988) na sua concepção. Esta nova possibilidade permitiu uma melhor
representação do conhecimento, a utilização de estratégias tutoriais de uma forma mais
adequada ao ensino, aliada à capacidade de justificar os diagnósticos. Além disso, a
arquitetura bem definida dos Sistemas Especialistas possibilitou um desenvolvimento
muito mais rápido destes sistemas, quando comparado aos seus primeiros
representantes.
Basicamente, um Sistema Especialista é composto por uma base de
conhecimento, uma máquina de inferência e subsistemas de aquisição de
conhecimento e de consulta, conforme ilustrado na figura 1.
Figura 1 - Arquitetura de um Sistema Especialista
Na base de conhecimento são encontrados todos os fatos e regras que reúnem o
conhecimento do especialista. A máquina de inferência contém as estratégias de
inferência, os controles que um especialista usa quando manipula os fatos e as regras.
O subsistema de aquisição de conhecimento é o meio pelo qual o especialista
transfere todo o seu conhecimento para o sistema, seja de maneira direta ou indireta.
O subsistema de consulta permite ao usuário obter a resolução de seus problemas
mediante sua interação com o sistema. Este sistemas oferecem ainda a facilidade de
explicar o raciocínio que os levaram à solução de um determinado problema, através de
um subsistema de explicação.
No final dos anos 80, surgiram ferramentas denominadas “Shell” (Harmon,
Maus, & Morrissey, 1988) para a construção rápida de Sistemas Especialista. Elas
apresentam mecanismos de inferência já definidos, assim como estrutura de
representação de conhecimento e de consulta, bastando apenas ao usuário "rechear" a
base de conhecimento com as informações de sua área específica, para torná-lo um
Sistema Especialista.
3 - O Sistema SICRE
3.1 – Idéias Gerais
SICRE é um sistema computacional que baseia-se na idéia de criar condições
para que o estudante possa elaborar e depois explicitar, segundo uma linguagem
específica, seus conhecimentos através de regras, e em seguida testá-las, através da
utilização do sistema. Assim, SICRE é destinado à explicitação de conceitos de
Matemática, mais especificadamente equações de 1o grau, uma vez que o conhecimento
necessário para a resolução destas equações pode ser facilmente expresso em forma de
regras. Por exemplo, considerando a e b números inteiros, e x a variável da equação,
para a equação a*x=b, a resolução implica na utilização de uma regra do tipo:
SE: a*x=b
ENTÃO: x=b/a.
Esta regra, no SICRE, é definida e implementada pelo aluno e utilizada na manipulação
de operações executadas pelo próprio aluno. Portanto, SICRE é similar a um Sistema
Especialista sem qualquer conhecimento (“Shell”), que permite que um estudante de
nível primário atue como o especialista que fornece as regras para a base de
conhecimento. Esta abordagem permite testar o processo de aprendizado, utilizando o
computador para a formalização e explicitação do conhecimento do aluno através de
regras. Assim, o aluno deve elaborar a regra, implementá-la no sistema, e usá-la na
resolução de equações de 1o grau.
3.2 – Descrição do Sistema
O sistema SICRE é composto basicamente de três módulos e dois arquivos tipo
“dribble file”:
-
Módulo Regras;
-
Módulo Tradutor;
-
Módulo Testes;
-
Arquivo de Regras;
-
Arquivo de Equações.
O Módulo Regras é o módulo pelo qual o aluno insere as regras que julgar
necessárias e suficientes para resolver suas equações. Consiste basicamente de um
editor de texto especial que permite a inserção e alteração de regras definidas pelo
aluno, conforme ilustra a figura 2.
Figura 2 - Edição de Regras no Módulo Regras
O Módulo Tradutor é um analisador léxico/sintático de Regras. Este
analisador, faz a análise léxica e sintática das regras escritas no Módulo Regras e
armazenadas no Arquivo de Regras. O Módulo Tradutor, transparente ao usuário, é
acionado automaticamente quando este sai do Módulo Regras.
O Módulo Testes permite ao usuário testar as regras inseridas no sistema
através do processo de resolução de equações de 1o grau, conforme ilustra a figura 3.
Neste módulo, o controle da resolução de uma equação é totalmente exercido
pelo aluno, que indica a operação que ele quer executar na equação. O sistema, então,
tenta executar a operação indicada, buscando encontrar uma regra que possa ser
aplicada. Isto é feito pelo casamento de padrões ("matching"), ou seja, encontrada uma
regra em que o antecedente seja satisfeito, o consequente será aplicado para
implementar a operação indicada. Ocorrido isto, o processo de procura de regras é
interrompido.
Figura 3 - Resolução de Equações no Módulo Testes
Assim, a resolução da equação é baseada na verificação da existência da regra e
na aplicação de seu consequente. Não havendo uma regra que satisfaça as condições, o
sistema emitirá uma mensagem indicando a impossibilidade de executar a operação
solicitada. Neste ponto, o aluno poderá modificar as regras existentes ou adicionar
novas.
Caso o aluno tente executar uma operação que não esteja definida, em forma de
uma regra, será emitida uma mensagem de erro. Por exemplo, na resolução da equação
mostrada na figura 3, o passo 2*x=6 para x=6/2 somente é possível se no Arquivo de
Regras do SICRE está presente a regra 1 mostrada na figura 2.
Ao final do processo de resolução de uma equação, o SICRE verifica se a
resposta obtida pelo aluno é correta ou não, emitindo uma mensagem do tipo "O
RESULTADO ESTÁ CORRETO" ou "O RESULTADO NÃO ESTÁ CORRETO".
Para isto, o sistema utiliza suas próprias regras na mesma equação.
O Arquivo de Regras tem a função de manter o registro da última versão do
conjunto de regras definido pelo aluno.
O Arquivo de Equações mantém todas as operações executadas pelo aluno no
Módulo Testes durante uma sessão. Fazendo uma analogia com um avião, o Arquivo de
Equações é a caixa preta do sistema. As informações contidas neste arquivo são:
- data e nome do arquivo;
- equações e passos de sua resolução;
- regras usadas durante a resolução das equações;
- as partes marcadas em modo reverso;
- mensagens do sistema.
Este arquivo é um importante meio de diagnóstico das dificuldades encontradas
pelo usuário ao resolver uma equação. Por exemplo, através dele, um professor pode
fazer um levantamento dos erros mais comuns, e com isso enfocá-los, a fim de obter um
melhor aproveitamento em suas aulas.
Referências Bibliográficas
Harmon, P., Maus, R., & Morrissey, W. (1988). Expert systems tools and
applications. New York: John Wiley & Sons, Inc..
Harmon, P. , & King, D. (1988). Sistemas especialistas: A Inteligência Artificial
chega ao mercado. Rio de Janeiro: Editora Campus.
Papert, S. ( 1985). Logo: Computadores e Educação. São Paulo: Editora
Brasiliense S.A.
Papert, S. (1994). A máquina das crianças: Repensando a escola na era da
Informática. Porto Alegre: Editora Artes Médicas.
Schlünzen, K., Jr., Schlünzen, E.T.M., & Gameiro, M.F. (1997). SICRE: Um
sistema computacional para resolução de equações de 1o grau com estética Logo. Em N.
Osmar, C. T. Fernandes, & M. G. B. Marietto (Eds.), Anais do VIII Simpósio Brasileiro
de Informática na Educação (pp 35 - 47), São José dos Campos: Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais - INPE.
Sleeman, D., & Brown, J.S. (Eds.) (1982). Intelligent tutoring systems. London:
Academic Press Inc.
Valente, J.A. (1993). Computadores e conhecimento: Repensando a Educação.
J.A. Valente (org), Campinas: Gráfica da UNICAMP.
Rocha, H.V. (1991). Representações computacionais auxiliares ao entendimento
de conceitos de programação. Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica, Universidade
Estadual de Campinas, Campinas.
Wenger, E. (1987). Artificial Intelligence and Tutoring Systems: Computational
and cognitive approaches to the communication of knowledge. Los Altos: Morgan
Kaufmann Publishers Inc..