Este trabalho introduz uma proposta de desenvolvimento de uma ferramenta web com- pleta dinâmica para programação de robôs em um ambiente de aprendizagem de robótica educacional.
No Capítulo 1 apresentamos o escopo do trabalho, destacando o contexto no qual este trabalho se insere bem como os trabalhos desenvolvidos na área de robótica educacional no mesmo laboratório. Expomos, também, uma visão geral da motivação deste trabalho, que é a criação de uma solução para o problema da troca e inserção de novos kits de ro- bótica em um ambiente de robótica educacional. Descrevemos em seguida a metodologia utilizada para o desenvolvimento do trabalho e as aplicações da tecnologia proposta.
1.6. ESTRUTURA DO TEXTO 11 O Capítulo 2 apresenta o embasamento teórico necessário à compreensão deste traba- lho, sendo discutidos aspectos e benefícios já estabelecidos da robótica educacional, os principais conceitos referentes a linguagens de programação e seus paradigmas, lingua- gens de programação web, teoria a cerca dos compiladores, metodologias de avaliação de softwareseducacionais e a metodologia de engenharia de software utilizada.
Em seguida, o Capítulo 3 apresenta uma revisão do estado da arte. Neste são discu- tidos diversos trabalhos que propõem ambientes de desenvolvimento para robótica edu- cacional, web ou local, e os métodos para avaliação de softwares educacionais. Neste Capítulo será realizada uma análise categórica das ferramentas apresentas com a proposta deste trabalho, além de uma avaliação das principais funcionalidades de cada uma dessas ferramentas.
No Capítulo 4, apresentaremos em detalhes o problema encontrado e a solução pro- posta, incluindo nesta descrição aspectos de implementação e estruturação da ferramenta. Especificaremos o escopo da ferramenta, e faremos uma breve descrição de cada aspecto do ambiente proposto.
O Capítulo 5 apresenta o método homogêneo de avaliação de softwares para robótica educacional, um estudo de caso da aplicação desse método e os resultados da aplicação desse método com seis softwares voltados a este fim.
Os kits de baixo custo para robótica educacional, também considerados contribuições deste trabalho, serão apresentados no Capítulo 6. Neste serão discutidas os princípios de criação de cada um e apresentada a sua metodologia de montagem.
O Capítulo 7 apresenta as implementações realizadas. Nesta seção descreveremos as estruturas dos protótipos desenvolvidos, diagramas descrevendo o funcionamento e enquadramento desta ferramenta no ambiente de aprendizagem da robótica educacional.
No Capítulo 8 apresentaremos os experimentos realizados com essa ferramenta, mo- delo de abstração de linguagens alcançado, kits utilizados e resultados obtidos a partir da aplicação do método de avaliação. Por fim, apresentaremos um comparativo dos dados obtidos a partir do método de avaliação entre a ferramenta proposta e as mais utilizadas no cenário nacional.
A conclusão do trabalho se dá no Capítulo 9, com aferições acerca do trabalho, restri- ções e sugestões de trabalhos futuros.
Capítulo 2
Fundamentação Teórica
Com o objetivo de melhor viabilizar a compreensão deste trabalho, apresentamos neste Capítulo 2 os conceitos e técnicas já consolidadas na literatura, relacionados com o assunto proposto como tema de pesquisa. Iniciamos elucidando definições, bem como aspectos metodológicos e práticos da robótica educacional, linguagens de programação, seus tipos, e como é realizada a estruturação de compiladores. Apresentamos ainda, em seguida, conceitos relativos à avaliação e qualificação de softwares educacionais.
2.1
Robótica Educacional
Existe uma busca atual constante de inserção de novas tecnologias em sala de aula. Essa busca visa tanto satisfazer as necessidades dos alunos e professores quanto pro- mover uma maior qualidade de ensino, permitindo com que os ambientes de ensino- aprendizagem se tornem mais ricos e motivadores [Miranda 2006]. Dentre as tecnologias emergentes, está a robótica educacional ou robótica pedagógica, que pode ser definida de forma simples como sendo um ambiente de aprendizagem que reúne materiais de su- cata ou kits de montagem com dispositivos controláveis ou programáveis por computador [DIEB 2012].
As oficinas de robótica educacional podem possuir vários objetivos e podem utili- zar diferentes metodologias. Porém, no geral, caracterizam-se como um ambiente no qual os alunos seguem um conjunto de instruções e manuais ou criam e experimentam a montagem e programação do seu próprio protótipo robótico [Fortes 2007, Silva 2008, DIEB 2012]. Nas oficinas, são propostos desafios que são apresentados de forma lúdica e atrativa aos alunos, podendo relacionar diversas temáticas, como por exemplo: artes, ci- bernética, física, matemática, ética e responsabilidade social. As oficinas de robótica pos- sibilitam que os desafios propostos pelo professor mediador sejam discutidos em grupo, gerando assim uma forte contribuição ao aprendizado colaborativo e estímulo à criação
de um método científico para obtenção de soluções.
As metodologias mais utilizadas para robótica educacional geralmente organizam as oficinas em quatro etapas [Miranda 2006]:
• Exposição do desafio interdisciplinar que deverá ser solucionado pelos alunos; • Exploração e discussão das potenciais soluções;
• Implementação da solução escolhida, nesta etapa é realizada a montagem e progra- mação do protótipo robótico;
• Teste e análise dos resultados, caso os resultados não sejam satisfatórios os alunos devem voltar à segunda etapa.
A ferramenta da robótica educacional, aplicada como exposto, estimula a exploração e investigação de problemas concretos, estimula o raciocínio lógico, coordenação motora, criatividade, concentração, incentiva o trabalho colaborativo, introduz ao método cientí- fico e erro construtivo [Zilli 2004], além de permitir uma maior transversalidade curricular [Barriuso et al. 2004, Santos et al. 2006].
2.1.1
Hardwares para Robótica Educacional
Na etapa de montagem do protótipo robótico em uma oficina de robótica, faz-se neces- sário o uso de um hardware que inclui, comumente, um controlador lógico programável que pode ou não estar associado a um kit de robótica. Um kit de robótica é composto por um conjunto de peças que auxiliam na construção da parte física de um robô. Os hardwaresque possuem um controlador lógico programável são aqueles em que os usuá- rios podem implementar algoritmos para modificar o comportamento do robô ao longo do tempo. Já os hardwares que não possuem este tipo de componente executam sempre o mesmo conjunto de instruções.
Existem diferentes tipos de hardwares (associados ou não a kits de robótica) que po- dem ser utilizados em uma oficina de robótica educacional. Neste trabalho utilizaremos a classificação dos hardwares em três categorias: kits comerciais e kits com sucata (material alternativo) e os kits com peças e materiais eletrônicos.
A primeira categoria está relacionada aos kits que podem ser adquiridos comercial- mente, sendo trazidos prontos de fábrica, são exemplos deste tipo o kit LEGO Mindstorms EV3 [LEGO 2011] e o Vex [Vex 2011]. Nota-se que esses kits apresentam uma qualidade de material melhor quando comparados aos das demais categorias. A segunda categoria está relacionada aos kits cujos componentes utilizados na montagem da carcaça do robô são, em sua maioria, provenientes de lixo eletrônico. Um trabalho desenvolvido nesta área
2.1. ROBÓTICA EDUCACIONAL 15 é o SH-Educ [Sá 2011] e o trabalho de Pinto (2011). Já a terceira categoria, engloba os kits construídos manualmente, mas formado por componentes eletrônicos e peças que são disponíveis comercialmente. Dentre os trabalhos realizados nesta vertente está o N-Bot [Aroca, Barros, Burlamaqui & Gonçalves 2012].
2.1.2
Ambientes de Desenvolvimento para Robótica Educacional
Os protótipos robóticos montados não são constituídos apenas de aparatos mecâni- cos. Comumente, os kits de robótica educacional incluem um dispositivo lógico, passível de ser programado através de um software. Neste trabalho, chamaremos estes softwa- res de ambientes de desenvolvimento para robótica educacional. Estes possibilitam que comandos sejam escritos, ou montados, e compilados para a linguagem de máquina do dispositivo lógico.
Ambientes de desenvolvimentos para robótica educacional devem permitir também que os códigos compilados sejam enviados para o protótipo robótico montado e este deve ser passível de executar os comandos. Estes ambientes podem ser categorizados em ambi- entes web ou ambientes desktop. Nos primeiros, a arquitetura de funcionamento é do tipo cliente-servidor [Kurose & Ross 2010], neste caso, todo o custo computacional é requi- sito do servidor e não da máquina do cliente. No segundo caso, geralmente, é necessária uma instalação de software na máquina local, devendo esta possuir todos os requisitos necessários pelo sistema.
Ambientes Web para Robótica Educacional
Tendo em vista a acessibilidade, a web tornou-se um meio atrativo e passível de ser as- sociado à educação e ao ensino tradicional. A plataforma web, para propósitos didáticos, permite que o aluno agende o seu próprio aprendizado, além disso, por sua disponibili- dade e gratuidade ela permite que o uso da robótica educacional saia dos limites de sala de aula [Salazar-Silva et al. 1999].
Os ambientes de desenvolvimento web possibilitam que qualquer computador ou dis- positivo com acesso à web via navegador possa ser utilizado para programar robôs sem a necessidade de instalação de softwares específicos e sem necessidade de modificação das variáveis de ambiente [Yanagisawa 2012].
Existem duas categorias de ambientes web para robótica educacional: laboratórios remotos, nestes ambientes o usuário é capaz de programar e enviar comandos a um robô localizado em um laboratório específico, e a segunda categoria é de laboratório local, onde
o usuário programa e compila via web e os comandos são enviados a um robô pessoal do usuário [Tzafestas 2009].