2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.4. AMBIENTE ALICE
2.4.4. Arquitetura do ambiente ALICE
Tabela 8. Descrição dos casos de uso do aluno
Caso de Uso Descrição
UC 04 Visualiza desempenho por conceito
O aluno visualiza seu desempenho em cada um dos conceitos. É exibido o conceito, aproveitamento
(classificado em bom , médio ou ruim ), nota e número de questões respondidas.
UC 05 Visualiza desempenho por exercício
O aluno visualiza o desempenho obtido em cada conceito para cada exercício realizado. É mostrado o nome do exercício, e para cada conceito, o aproveitamento obtido (classificado em bom , médio ou ruim ).
UC 06 Troca mensagens Composição, leitura e envio de mensagens. Visualiza mensagens recebidas e enviadas. Permite a exclusão de mensagens.
UC 07 Visualiza colegas O aluno visualiza os colegas que estão conectados no ambiente no momento.
UC 08 Gerencia dados pessoais
Alteração dos dados pessoais, tais como e-mail, data de nascimento, perfil (se trabalha, se programa, etc.) e configurações de notificação de novas mensagens e novos exercícios.
A arquitetura apresenta o modelo do aluno, o modelo do domínio e o modelo do tutor (representado pela estratégia pedagógica e os assistentes que atuam na automatização de tarefas do professor). Ainda contém ferramenta de análise e monitoramento dos alunos. A interface do aluno é composta pela personagem Alice, uma assistente visível aos alunos que tem como papel motivar sua visitação ao ambiente.
2.4.4.1. Modelo do domínio
O ALICE é um ambiente que se baseia em uma estrutura semelhante a adotada pelas universidades, que contém cursos, e disciplina dentro desses. Nesse caso, a disciplina de Algoritmos e Programação I, encontra-se inserida dentro do curso de Ciência da Computação. Logo, percebe-se que embora este trabalho enfoque o ensino de algoritmos, o ambiente está preparado para comportar outros domínios.
Na seqüência, cada disciplina contém as unidades de ensino que estabelecem as divisões do conteúdo programático. Por sua vez, as unidades possuem diversos conceitos a serem abordados, que são os conteúdos propriamente.
O conceito é o principal elemento no modelo do domínio, pois todos os demais elementos que compõem o domínio são relacionados a um ou vários conceitos. Isto é, os materiais base e complementar, bem como as questões, são vinculados aos conceitos, o que viabiliza um diagnóstico mais preciso do item no qual o aluno apresenta dificuldade e como atendê-la.
Além disso, os conceitos também são relacionados aos tokens 2 que eles introduzem em um algoritmo, permitindo a atuação dos assistentes que analisam os algoritmos submetidos pelos alunos.
Por fim, tem-se o registro das chamadas, ou seja, o processo de verificação de alunos presentes e ausentes, que pode ser armazenado no ALICE, no qual o professor tem a possibilidade de relacionar suas aulas ministradas com os conceitos e materiais disponíveis.
O modelo do domínio abrange o conteúdo instrucional organizado na estrutura representada pela Figura 17.
2 Token é um bloco primitivo de uma estrutura textual, é o primeiro passo da interpretação de um texto. Geralmente são definidos por expressões regulares.
Curso
Disciplina Disciplina
Disciplina
Unidade Unidade
Conceito
Mapa Conceitual
Conceito
Material de Referência
Material Complementar
Questões
Tokens
Chamadas
Figura 17. Estrutura organizacional do conteúdo instrucional
2.4.4.2. Modelo do aluno
O modelo do aluno contém informações, ilustradas na Tabela 9, e classificadas em:
Estáticas: alteram conforme atualização realizada pelo professor ou aluno, dos dados do aluno; e
Dinâmica: alteram conforme ações no ambiente.
Tabela 9. Informações contidas no modelo do aluno conforme classificação Informações ou Atributos
Estatísticas Dinâmicas
Pessoal Nome
Turma É repetente?
Mensagens enviadas
Comportamental Falta às aulas?
Conversa durante as aulas?
Tenta responder os exercícios?
Trabalha mais de 20 horas por semana?
Sessões acessadas Chamadas registradas
Natureza
Cognitiva Têm experiência em programação?
Notas nas avaliações
Desempenho nos conceitos Exercícios realizados
Em relação às informações dinâmicas, o conteúdo acessado, a realização dos exercícios, e o desempenho obtido neles são registrados conforme as ações do aluno. Contudo, o professor também interfere no modelo, não apenas informando as notas das avaliações, mas também intercedendo na identificação das dificuldades de aprendizagem nos diversos conceitos, afetando no respectivo desempenho; ou ainda registrando o comportamento dos alunos em sala de aula.
É possível classificar os dados que compõe o modelo em: (i) pessoal (informações pertinentes à identificação do aluno no ambiente); (ii) comportamental (atitudes registradas em sala de aula e no ambiente); (iii) cognitivo (relacionado ao desempenho em avaliações presenciais e exercícios respondidos no ALICE).
2.4.4.3. Estratégia Pedagógica (Modelo do tutor)
O modelo do tutor contém as regras que orientam o processo decisório do sistema. A partir das informações do modelo do aluno e do domínio, o tutor seleciona uma estratégia mais adequada.
Deve-se salientar que nessa abordagem de ITA, o processamento do tutor é realizado pelos assistentes que auxiliam o professor.
Os assistentes desenvolvidos atuam: no processamento de respostas dos exercícios enviados pelos alunos, englobando desde a análise de conceitos presentes, até a detecção de respostas similares e dificuldades de aprendizagem apresentadas, auxiliando na escolha de um próximo exercício a ser proposto; na seleção da estratégia mediadora a ser aplicada conforme o perfil do aluno; e também no incentivo à visitação ao ambiente, baseado no estilo do aluno dentro e fora do ambiente.
2.4.4.4. Assistentes
Com o objetivo de automatizar algumas tarefas do professor, foram criados assistentes que utilizam técnicas de Inteligência Artificial, como árvores de decisão e lógica fuzzy. Os assistentes realizam:
Detecção de plágio de respostas;
Análise de algoritmos submetidos por alunos;
Tomada de decisão sobre o tipo de mediação;
Identificação de dificuldades de aprendizagem;
Confecção de exercícios personalizados; e Assistente de interface (Personagem Alice).
Esse último, diferentemente dos demais, caracteriza-se por ser um assistente apresentado visualmente aos alunos através da personagem Alice, que foi desenvolvido a fim de motivar o aluno ao aprendizado por meio do ambiente (Seção 2.4.4.4.6). Cada um dos assistentes é detalhado nas subseções a seguir.
2.4.4.4.1. Assistente de detecção de plágio
O assistente para detecção de plágio de respostas visa alertar o professor quanto a possíveis cópias de respostas de exercícios (cola). A análise permite reconhecer os tipos de cópias mais freqüentes: a cópia na íntegra e a cópia onde apenas os nomes de variáveis são alterados. Na ocorrência de algum plágio, registra-se no ambiente e é alertado ao professor no momento da correção, cabendo a ele decidir se houve cópia, apenas coincidência, ou uma situação prevista como um exercício já realizado em sala de aula. O funcionamento do assistente é ilustrado através do diagrama de atividades da figura 18.
ad Assistente de Detecção de Plágio
Inicio
Submete exercício
Solicitou detecção? Análise léxica da resposta do aluno
Há respostas de colegas?
Análise léxica das respostas dos colegas
Compara respostas
Fim
Similaridade?
Armazena na base Sim
Sim
Não
Não
Não
Sim
Figura 18. Diagrama de atividades do assistente de detecção de plágio de respostas
Após o aluno enviar as respostas de um exercício, é identificada a existência de questões na qual o professor, ao confeccionar o exercício, solicitou a ajuda do assistente a fim de identificar casos de plágio de respostas.
Havendo a solicitação, é realizada uma análise léxica de cada resposta do exercício submetido. Na seqüência são localizadas as respostas dos colegas, onde cada uma é analisada também, e assim comparada à resposta submetida. Encontrando similaridade entre duas soluções é registrada uma ocorrência no modelo do aluno, o qual será exibido ao professor no momento da correção efetiva da resposta, cabendo a esse a tomada de decisão.
Para que seja possível a apresentação das informações ao professor, faz-se necessário armazenar na base do ALICE os resultados da detecção, que contém: o exercício e a questão analisada, e o identificador do colega na qual o aluno realizou a cópia, e o tipo de cópia (na íntegra ou da estrutura).
2.4.4.4.2. Assistente de análise de algoritmos submetidos pelos alunos
O assistente para diagnóstico de algoritmos tem como objetivo realizar uma análise prévia da resposta submetida. Para que isso ocorra, é fundamental que ao cadastrar uma questão, o
professor indique quais conceitos (com respectivos identificadores, ou tokens, definidos previamente) a resposta deve apresentar. Assim, cada resposta passa por uma análise léxica onde um conjunto de tokens é identificado e, caso um dos indicados na questão não constarem no conjunto, o professor é alertado, pois é possível que haja erro na resposta. Salienta-se que o assistente não realiza a correção do algoritmo, sendo que essa tarefa compete ao professor. Ele apenas fornece um auxílio (assiste o professor) na correção. A Figura 19 mostra o diagrama de atividades do assistente de análise de algoritmos.
ad Assistente de Análise de Algoritmos
Início
Submete exercício
Análise léxica Solicitou análise?
Busca conceitos da solução do professor
Há todos os conceitos? Busca conceitos exigidos na questão
Há todos os conceitos?
Armazena na base
Fim
Armazena na base Sim
Não Sim
Não
Sim Não
Figura 19. Diagrama de atividade do assistente de análise de algoritmos
O funcionamento de assistente é inicializado a partir da submissão de um exercício resolvido por um aluno. Primeiramente, é verificado se o professor solicitou a execução do assistente para auxiliá-lo na correção. Caso afirmativo, é realizada a análise léxica que permite identificar os tokens na resposta do aluno, a fim de compará-los com exigidos pela questão e com os presentes na solução informada pelo professor.
Semelhante ao Assistente de Detecção de Plágio, faz-se necessário armazenar o diagnóstico realizado durante a análise, guardando as seguintes informações: exercício e questão analisada, os conceitos ausentes na resposta em relação aos solicitados pelo professor no cadastramento da
questão, e os conceitos ausentes aos exigidos no momento do cadastro realizado pelo professor, se houver.
2.4.4.4.3. Assistente de modalidade de mediação
No ambiente ALICE cada aluno é diagnosticado conforme as características apresentadas no modelo do aluno. O diagnóstico estabelece qual estratégia mediadora deve ser aplicada. As estratégias mediadoras foram fundamentadas na teoria da mediação de Feuerstein (1994), apresentada sucintamente na Seção 2.4.5.
Neste contexto, foram selecionadas duas formas de mediação: de transcendência e de competência. A mediação de transcendência promove o desenvolvimento lógico através de exercícios com um grau de complexidade maior, desafiando o aluno e estimulando a autonomia no aprendizado.
Já a mediação de competência busca trazer o aluno para conhecer a disciplina. Nesse caso, apresentam-se exercícios básicos, ampliando as chances de acerto e assim aumentando sua auto- estima (sensação de competência).
Nessa versão do ambiente ALICE, a modalidade de mediação afeta na decisão das questões a serem escolhidas pelo assistente para confecção de exercícios personalizados (ver Seção 2.4.4.4.5 Assistente para confecção de exercícios personalizados).
A estratégia para decidir que atitude mediadora adotar, baseia-se nos seguintes atributos:
1) Experiência: É verificado se o aluno possui experiência em programação e se ele é repetente na disciplina;
2) Disponibilidade de estudo: É verificado se o aluno trabalha mais de 20 horas semanais;
3) Empenho: É verificado, pelo professor, se o aluno falta às aulas, sai de sala durante a aula, conversa com os colegas em momentos inoportunos. Ainda é registrado se o aluno tenta resolver os exercícios em aula;
4) Desempenho nos exercícios: verificado pela correção das questões objetivas e algoritmos; e
5) Desempenho nas avaliações: verificado pelas notas do aluno em sala de aula.
Os atributos 1 e 2 são preenchidos pelo aluno em seu primeiro acesso no sistema, podendo ser atualizado a qualquer momento. O atributo 3 é fornecido pelo professor através de observações em sala de aula. O desempenho do aluno, atributos 4 e 5, são computados pelo sistema, tendo como base a resolução dos exercícios propostos no ambiente e as notas das avaliações que são cadastradas pelo professor.
A partir dos atributos foi construída uma árvore de decisão baseada em regras de produção que selecionarão a mediação de transcendência ou competência. As regras são executadas sempre que um dos atributos é modificado.
A árvore de decisão foi desenvolvida com base nos conhecimentos do professor da disciplina (especialista). Cada regra foi definida a partir da experiência adquirida durante nove edições anteriores da disciplina.
Possui experiência
Disponibilidade Desempenho
exercícios
Desempenho avaliações
Mediar Transcendência
Mediar Transcendência
Mediar Competência
Disponibilidade
Empenho Mediar
Transcendência Mediar
Competência
Mediar Competência
Mediar Transcendência
Figura 20. Árvore de decisão de modalidade de mediação
Considera-se de forma geral que o aluno que estiver apto para receber mediação de transcendência poderá aproveitar melhor a disciplina, pois está relacionando os problemas solucionados com situações cotidianas.
Em contrapartida, o aluno que ainda apresenta dificuldades de compreensão das noções lógicas básicas necessárias ao desenvolvimento das soluções, pode estar se encaminhando para uma situação de desmotivação por estar sentindo-se incapaz de sobrepujar os desafios da disciplina.
Acredita-se que este aluno esteja em situação de abandono potencial.
O fato de um aluno possuir experiência prévia normalmente confere a ele a possibilidade de receber mediações de transcendência, pois ele já possui o domínio prévio das estruturas lógicas necessárias e pode ser mais exigido.
Um outro indicador de mesma natureza é o bom desempenho nas avaliações. Os alunos dessa categoria normalmente podem receber mediações de transcendência, pois demonstram ter desenvolvido a noções básicas para solucionar problemas mais complexos.
Aqueles alunos que não têm experiência e não têm bom desempenho nas avaliações, podem ainda demonstrar um bom desempenho nos exercícios, fato que indica que a nota da prova pode não refletir o real estágio de desenvolvimento do aluno. Nesses casos verificam-se duas situações: o aluno tem disponibilidade para ser exigido, e assim o será (receberá mediação de transcendência);
ou então o aluno não tem disponibilidade (o que pode explicar o fraco desempenho nas avaliações) portanto pode estar em uma situação de potencial desmotivação e por isso receberá mediação de competência.
Já os alunos que não possuem experiência e tem desempenho ruim nas avaliações e nos exercícios receberão mediação de competência por serem desistentes em potencial, salvo o caso destes alunos demonstrarem empenho, pois se acredita que os alunos poderão sobrepujar suas dificuldades se tiverem o devido empenho.
2.4.4.4.4. Assistente para identificação de dificuldades de aprendizagem
O ALICE possui um assistente responsável por identificar os conceitos que cada aluno apresenta dificuldades de aprendizagem. Logo, para que o assistente funcione de maneira eficiente, é necessário que o professor informe quais são os conceitos trabalhados em cada questão cadastrada.
O funcionamento do assistente consiste nas seguintes etapas:
1) O aluno responde a um exercício (confeccionado pelo professor ou pelo Assistente para Confecção de Exercícios Personalizados);
2) É realizado um monitoramento que aguarda a finalização de sua correção, que pode acontecer tanto no momento da submissão, se houver apenas questões objetivas, quanto
após a correção do professor, se houver questões dissertativas. Cada questão é pontuada entre uma faixa de 0 a 10; e
3) Finalizada a correção, o assistente realiza um diagnóstico que consiste nos passos abaixo:
a) Desempenho do aluno em cada conceito: são identificados todos os conceitos trabalhados nos exercícios, e para cada um é contabilizado o número de questões na qual apareceram e somadas as notas obtidas em cada resposta. Essas somas são adicionadas aos valores já contidos na base de dados, de forma que cada alteração da base resulte em um novo registro. Isso viabiliza a geração de relatórios do desempenho gradual do aluno. Já que a cada nova submissão é gerado um novo registro, o que não exclui a informação anterior, e permite a consulta do desempenho do aluno em diversos momentos do semestre; e
b) Cálculo do valor fuzzy: A aplicação da lógica fuzzy dá-se pela flexibilidade por ela provida, em dimensionar níveis intermediários de verdade. Por exemplo, um aluno com média 5.8, embora seja menor que a nota média para aprovação (nota 6), não significa necessariamente que o mesmo não está apto. Nesse caso o aluno está mais próximo da aprovação do que da reprovação. A lógica fuzzy permite modelar estas questões.
Após realizar o cálculo do desempenho do aluno, é calculado o valor fuzzy para cada conceito. O valor foi determinado através de funções de pertinência regidas pelo gráfico, apresentado na Figura 21, e equações exibidas na Tabela 10:
Figura 21. Gráfico de valores fuzzy
Tabela 10. Funções de pertinência de cada conceito
f(x) = 1 se 0 x 2 Para o conceito Ruim:
f(x) = -x + 3 se 2 > x 3 f(x) = 0,5x -1 se 2 x < 4 f(x) = 1 se x = 4 Para o conceito Médio:
f(x) = -0,5x + 3 se 4 > x 6 f(x) = x - 5 se 5 x 6 Para o conceito Bom:
f(x) = 1 se 6 > x 10
Ressalta-se, que esse assistente aplica a lógica difusa apenas para classificação do desempenho do aluno, não sendo essa técnica aplicada nos demais processos do ambiente ALICE.
A classificação de desempenho através dessa lógica permite que casos onde alunos com notas próximas aos lineares de bom , médio ou ruim sejam tratados de forma mais igualitária.
Na prática, o benefício é percebido quando um aluno, cuja nota encontra-se inferior à média determinada (valor 6 em uma escala de 0 a 10), seja considerado como quase bom e não como aluno mediano. Dessa forma, um aluno que apresenta nota 5,85 será considerado com conhecimento próximo a outro que a nota é 6,15.
2.4.4.4.5. Assistente para confecção de exercícios personalizados
O presente assistente é responsável pela geração de novos exercícios a cada finalização de correção realizada, obedecendo às necessidades de aprendizagem individuais. Para tanto, requer o cadastro das mesmas informações solicitadas pelo Assistente para Identificação de Dificuldades de Aprendizagem, isto é, faz-se necessário fornecer para cada questão a ser resolvida os conceitos a ela vinculados. Além disso, o Assistente para Confecção de Exercícios Personalizados precisa que várias questões de um mesmo conteúdo sejam cadastradas no ALICE para que ele possa ter mais opções de escolha na seleção das questões que irão compor os exercícios personalizados.
Inicialmente são verificados os conceitos em que um determinado aluno apresenta dificuldade de aprendizagem. Um conjunto de regras de produção foi desenvolvido, a fim de estabelecer qual será o conceito a ser proposto ao aluno pelo sistema. Caso o aluno apresente um bom desempenho nos conceitos até então trabalhados, é oferecido um novo conceito, respeitando as relações de pré-requisito estabelecidas pelo mapa conceitual que auxilia na modelagem do domínio.
Caso contrário, a dificuldade de aprendizado encontrada será trabalhada.
Para isto, dois tipos de regras foram definidas: uma quando não há dependência de conceitos anteriores (pré-requisitos) e outro quando há dependência conceitual:
Se D# = ruim ou D# = médio então questão = C#
Se D# = bom então questão = C(# + 1)
Quando não há pré-requisito
Se (D# = ruim ou D# = médio) e (D(# do pré-requisito) = ruim ou D(# do pré-requisito) = médio) então questão = C(# do pré-requisito)
Se (D# = ruim ou D# = médio) e (D(# do pré-requisito) = bom) então questão = C#
Se D# = bom então questão = C(# + 1)
Quando há pré-requisito
Sendo:
C# = Representa o conceito a ser analisado. Ex: C4.4. Algoritmos Seqüenciais;
D# = Representa o desempenho obtido em um determinado conceito; e Questão = nova questão a ser disponibilizada.
Caso haja mais de um conceito habilitado para o aluno receber questões, é obedecida a ordem de pré-requisitos temporais, privilegiando os que estiverem mais no início da disciplina.
Na seqüência, são escolhidas as questões para o novo exercício, as quais devem obedecer aos seguintes requisitos:
i. Não podem ter sido respondidas previamente por este aluno;
ii. Não podem ter vínculo com conceitos em que o aluno não está apto a trabalhar;
iii. Não devem ser componentes de outros exercícios desenvolvidos pelo professor ou pelo ambiente para este aluno; e
iv. Devem respeitar a modalidade de mediação definida para o aluno.
As questões que satisfizerem esses requisitos são sorteadas e no máximo 3 serão escolhidas para formar o exercício. Caso não existam questões disponíveis, é enviada uma mensagem alertando o professor, informando que o aluno necessita de atenção e questões para os conceitos identificados, exemplificada na Figura 22.
Figura 22. Mensagem enviada ao professor alertando problemas de aprendizagem
Uma observação a ser registrada a respeito da escolha por três questões em cada exercício confeccionado, deve-se ao fato de que exercícios pequenos facilitam tanto sua realização por parte do aluno quanto à correção (quando é necessária a ação pelo professor), tornando o processo mais interativo.
2.4.4.4.6. Assistente de interface (personagem Alice)
O último assistente disponibilizado pelo ambiente, consiste na personagem Alice que é responsável por transmitir as mensagens motivadoras aos alunos através da interface.
Cada mensagem é composta em três partes textuais: saudação, corpo, e incentivo, conforme é apresentada na Figura 23. O ambiente dispõe de um banco de dados com diversas mensagens que são exibidas conforme o perfil determinado, gerenciado pelo administrador.
ad Ativ idades
Saudação Corpo Inv entiv o a
participação Busca informações
sobre o aluno
Acessa página principal Mostra mensagem
Figura 23. Diagrama das atividades realizadas para seleção da mensagem da personagem Alice aos alunos
Inicialmente é realizada uma busca no modelo do aluno capturando as informações relevantes sobre ele e seu comportamento no ambiente. Os dados são determinantes na escolha das mensagens que serão exibidas aos alunos.
A saudação é escolhida conforme a freqüência do aluno no dia ou a hora de acesso, ilustrado na Figura 24. Alguns exemplos de saudações são apresentados na Tabela 11.
ad Mensagem de saudação
Início
Já acessou hoje? Sorteia saudação conforme horário corrente
Sorteia saudação de retorno ao ambiente
Retorna ao fluxo principal [Não]
[Sim]
Figura 24. Escolha da mensagem de saudação da tutora Alice
Tabela 11. Exemplos de mensagens de saudação e parâmetros para sua exibição Parâmetros Exemplos de Mensagem
Prioridade Acesso no dia
Horário inicial
Horário final
Dia da semana
Olá, <NOME_DO_ALUNO>, já almoçou? Eu já fiz o meu lanchinho!
Alta Tanto faz 12:00 14:00 Tanto faz
Voltou, <NOME_DO_ALUNO>? Alta Sim Tanto faz Tanto faz Tanto faz Boa noite, <NOME_DO_ALUNO>! Baixa Tanto faz 18:00 23:59 Tanto faz Oi, <NOME_DO_ALUNO>! Baixa Tanto faz Tanto faz Tanto faz Tanto faz
O corpo da mensagem é determinado pelas seguintes informações: data de nascimento do aluno, assiduidade no sistema e na submissão de exercícios, atualização da página (refresh), horas de trabalho do aluno, retorno ao ambiente no mesmo dia. Estas são analisadas e conforme o perfil do aluno, é sorteado o corpo. A decisão é efetuada conforme o esquema apresentado na Figura 25.