Uso de laboratórios remotos integrados a jogos digitais para o ensino de física

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Tecnologia

Carinna Nunes Tulha

Uso de Laboratórios Remotos Integrados a Jogos Digitais

para o Ensino de Física

Limeira

2019

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Carinna Nunes Tulha

Uso de Laboratórios Remotos Integrados a Jogos Digitais para o

Ensino de Física

Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia, na área de Sistemas de Informação e Comunicação.

Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Garcia de Carvalho Coorientador: Prof. Dr. Vitor Rafael Coluci

Este exemplar corresponde à versão final da Dissertação defendida por Carinna Nunes Tulha e orientada pelo Prof. Dr. Marco Antonio Garcia de Carvalho.

Limeira

2019

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Faculdade de Tecnologia

Felipe de Souza Bueno - CRB 8/8577

Tulha, Carinna Nunes,

T821c TulUso de laboratórios remotos integrados a jogos digitais para o ensino de física / Carinna Nunes Tulha. – Limeira, SP : [s.n.], 2019.

TulOrientador: Marco Antonio Garcia de Carvalho. TulCoorientador: Vitor Rafael Coluci.

TulDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia.

Tul1. Experimentação remota. 2. Efeito fotovoltaico. 3. Jogos educativos. 4. Física - Estudo e ensino. I. Carvalho, Marco Antonio Garcia de, 1970-. II. Coluci, Vitor Rafael, 1976-. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Tecnologia. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: The use of remote laboratories integrated into electronic games for physics teaching

Palavras-chave em inglês: Remote experimentation Photovoltaic effect Educational games

Physics - Study and teaching

Área de concentração: Sistemas de Informação e Comunicação Titulação: Mestra em Tecnologia

Banca examinadora:

Marco Antonio Garcia de Carvalho [Orientador] Marcos Augusto Francisco Borges

Eduardo Galembeck

Data de defesa: 29-07-2019

Programa de Pós-Graduação: Tecnologia

Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)

- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0001-9463-5602 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/6699884061289310

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FOLHA DE APROVAÇÃO

Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de dis-sertação para o Título de Mestra em Tecnologia na área de concentração de Sistemas de Infor-mação e Comunicação, a que submeteu o aluno Carinna Nunes Tulha, em 29 de julho de 2019 na Faculdade de Tecnologia – FT/UNICAMP, em Limeira/SP.

Prof. Marco Antonio Garcia de Carvalho Presidente da Comissão Julgadora

Prof. Dr. Marcos Augusto Francisco Borges Faculdade de Tecnologia/UNICAMP

Prof. Dr. Eduardo Galembeck Instituto de Biologia/UNICAMP

Ata da defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria de Pós Graduação da FT.

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Agradecimentos

À minha mãe Telma por ter aceitado abraçar essa etapa da minha vida acadêmica comigo, me apoiando e incentivando sempre.

À Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) pela oportunidade e acolhimento. Aos meus orientadores, Prof. Marco Antonio Garcia de Carvalho e Prof. Vitor Coluci, pelo apoio e direcionamento no decorrer desta pesquisa.

Ao Prof. Javier Garcia-Zúbia do Deusto Learning Lab, da Universidade de Deusto, por ter me possibilitado a realização de um estágio de curta duração. Ao Prof. Frank Luthon da Universidade de Pau por ter me recebido e apresentado seu trabalho no projeto LaboREM.

À Escola Juan Orobio Goitia BHI, ao Colégio Técnico de Limeira (COTIL) e ao Colégio Prof.ª Jandyra Antunes Rosa, e toda a equipe institucional que possibilitou a avaliação e validação desta pesquisa em sala de aula, em especial aos professores Egoitz Atxikallende, Amaia Zarandona, Yuri Alexandre Meyer e David Elias da Silva.

Ao Laboratório de Experimentação Remota (RExLab), da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), pela autorização de uso do experimento remoto integrado ao jogo Fotovolt.

Ao Josiel Pereira por todos os conselhos técnicos durante a programação do jogo. Ao Guilherme Cavalcante pelo desenvolvimento gráfico do jogo.

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP - Processo 2017/13805-8) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela bolsa de mestrado concedida.

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Resumo

Laboratórios remotos e jogos digitais são ferramentas que podem contribuir para o ensino de Ciências. Enquanto os laboratórios remotos são experimentos reais acessados remotamente via internet, os jogos digitais envolvem simulações virtuais que apresentam competição, desafios e recompensas. Ambas estas tecnologias podem influenciar na processo de ensino e aprendizagem. Dessa forma, a integração de laboratórios remotos com jogos digitais pode criar uma sinergia entre essas tecnologias e levar a construção de um novo objeto de aprendizagem. Durante esta pesquisa, estudamos esse processo de desenvolvimento de um jogo digital integrado a um laboratório remoto, voltado ao ensino do efeito fotovoltaico, um conteúdo da disciplina de Física apresentado no segundo ano do Ensino Médio. O objeto de aprendizagem desenvolvido foi aplicado na Escola Juan Orobio Goitia BHI, no Colégio Prof.a Jandyra Antunes Rosa e no Colégio Técnico de Limeira. Sua eficiência foi avaliada por meio de um questionário próprio, criado a partir de um modelo de qualidade de jogos baseado no Modelo de Análise de Qualidade de Jogos Educacionais MEEGA+. Os resultados demonstram que, de modo geral, os estudantes tiveram uma experiência positiva quando ao uso das tecnologias. Entretanto, não houve uma variação estatística considerável quando comparamos o uso de ambas as tecnologias. Os estudantes se mantiveram neutros quanto a preferência de manipulação do experimento remoto, sendo pelo jogo ou pela plataforma online. Mas acreditam que o jogo contribuiu para a interação com o experimento. De modo geral, é possível afirmar que o uso das tecnologias em sala motivou os estudantes e auxiliou no processo de aprendizagem.

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Abstract

Remote laboratories and digital games are tools that can contribute to science education. While remote labs are real experiments accessed remotely via the internet, digital games involve virtual simulations that present competition, challenges, and rewards. Both of these technologies can influence the teaching and learning process. Thus, the integration of remote labs with digital games can create synergy between these technologies and lead to the construction of a new learning object. During this research, we studied this process of developing a digital game integrated into a remote laboratory, focused on the teaching of photovoltaic effect, a content of the subject of Physics presented in the second year of high school. The learning object developed was applied at Juan Orobio Goitia BHI School, at Prof.a Jandyra Antunes Rosa College, and Limeira Technical College. Its efficiency was assessed by its questionnaire, created from a game quality model based on the MEEGA + Educational Game Quality Analysis Model. The results show that, overall, students had a positive experience when using technologies. However, there was no considerable statistical variation when comparing the use of both technologies. The students remained neutral regarding the preference of manipulation of the remote experiment, either by the game or by the online platform. But they believe the game contributed to the interaction with the experiment. In general, it is possible to state that the use of classroom technologies motivated students and assisted in the learning process.

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Lista de Figuras

4.1 Fluxograma das etapas de atividades . . . 40

4.2 Experimento Remoto Conversão de Energia Luminosa em Energia Elétrica. . . 41

4.3 Etapas para Validação da Pesquisa. . . 45

4.4 Fatores de qualidade modelo MEEGA+. . . 48

5.1 Tela inicial do jogo . . . 51

5.2 Instruções do jogo . . . 51

5.3 Fase 1 - Cena principal . . . 51

5.4 Fase 1 - Zoom mural . . . 52

5.5 Fase 1 - Visão superior da mesa . . . 52

5.6 Fase 2 - Quebra-cabeça resolvido . . . 52

5.7 Fase 2 - Cenário após desafio concluído . . . 52

5.9 Fase 3 - Pergunta . . . 53

5.10 Fase 3 - Equação . . . 53

5.11 Fase 3 - Desafio central . . . 53

5.13 Fase 4 - Desafio caminho certo . . . 54

5.14 Fase 5 - cena principal . . . 54

5.15 Fase 6 - cena principal . . . 54

5.16 Arquitetura de comunicação jogo/experimento remoto. . . 55

6.1 Gênero . . . 59

6.2 Faixa etária . . . 59

6.3 Tecnologias utilizadas pelos estudantes . . . 59

6.4 Local mais frequente de acesso a internet . . . 59

6.5 Tempo em horas utilizando tecnologias . . . 60

6.6 Atividades online . . . 60

6.7 Frequência que os estudantes jogam (a)jogos não-digitais, (b) jogos digitais . . 60

6.8 (a) O que são experimentos remotos, (b) Acesso a experimentos remotos online 61 6.9 Gênero . . . 65

6.15 Frequência que os estudantes jogam (a)jogos não-digitais, (b) jogos digitais . . 67

6.16 O que são experimentos remotos . . . 67

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6.23 Frequência que os estudantes jogam (a)jogos não-digitais, (b) jogos digitais . . 73 6.24 (a) O que são experimentos remotos, (b) Acesso a experimentos remotos online 74

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Lista de Tabelas

3.1 Número de artigos encontrados em cada etapa da revisão sistemática. . . 30

3.2 Pesquisa teórica . . . 30

3.3 Proposta de Pesquisa . . . 31

3.4 Protótipo . . . 32

3.5 Pesquisa com Validação . . . 34

4.1 Características do Fotovolt . . . 43

6.1 Grupo A Juan Orobio - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 62

6.2 Grupo B Juan Orobio - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 63

6.3 Grupo A Jandyra - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 69

6.4 Grupo B Jandyra - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 70

6.5 Grupo A COTIL - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 75

6.6 Grupo B COTIL - questionário de experiência -2 = Discordo Totalmente, 2 = Concordo Totalmente . . . 77

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Lista de Abreviações e Siglas

COTIL Colégio Técnico de Limeira

DGBL Documento de Game Design do inglês Digital Game Based Learning GT-MRE Grupo de Trabalho em Experimentação Remota Móvel

MEEGA+ Modelo para Avaliação de Jogos Educacionais, do inglês Model for the Evaluation of Educationl Games

RELLE Ambiente de Aprendizagem com Experimentos Remotos, do inglês Remote Labs Learning Environment

RExLab Laboratório de Experimentação Remota, do inglês Remote Experimentation Laboratory

START do inglês State of the Art Through Systematic Review

STEM Ciências, Tecnologia, Engenharia e Matemática, do inglês Science, Technology Engineering, Math

TCLE Termo de Consentimento Livre e Esclarecido TIC Tecnologias da Informação e Comunicação UNICAMP Universidade Estadual de Campinas

VISIR Sistemas Virtuais de Sistemas em Realidade, do inglês Vision, Scenarios, Insights and Recommendations

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Sumário

1 Introdução 14 1.1 Motivação e Justificativa . . . 14 1.2 Problema . . . 15 1.3 Objetivo Geral . . . 17 1.3.1 Objetivos Específicos . . . 17 1.4 Organização do Texto . . . 17 2 Fundamentação teórica 19 2.1 Laboratórios Remotos . . . 19

2.2 Digital Game Based Learning . . . 21

2.3 Desenvolvimento e Aprendizagem . . . 23

2.3.1 Construtivismo . . . 23

2.3.2 Construcionismo . . . 24

2.3.3 Metodologias de Motivação e Contextualização . . . 26

3 Estado da Arte 28 3.1 Revisão sistemática: protocolo . . . 28

3.2 Trabalhos Relacionados . . . 29

3.2.1 Considerações sobre os trabalhos . . . 37

4 Materiais e Métodos 39 4.1 Classificação da pesquisa . . . 39

4.2 Etapas da pesquisa . . . 40

4.2.1 Concepção do Experimento Remoto . . . 41

4.2.2 Concepção do Jogo digital . . . 42

4.2.3 Validação e Coleta de Dados . . . 44

5 Desenvolvimento do Fotovolt 50 5.1 Descrição de fases e desafios . . . 50

5.2 Protocolo de integração . . . 55

6 Apresentação e Análise dos Resultados 57 6.1 Coleta e Análise de Dados: Escola Juan Orobio Goitia BHI . . . 58

6.2 Coleta e Análise de Dados: Colégio Prof.ª Jandyra Antunes Rosa . . . 65

6.3 Coleta e Análise de Dados: Colégio Técnico de Limeira . . . 71

7 Considerações Finais 80

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A Termo de Consentimento Livre Esclarecido 86

B Questionário Perfil Tecnológico Discente 89

C Questionário Conceitual Inicial 91

D Questionário Conceitual Final 92

E Relatório Experimento Remoto 93

F Questionário Experiência Grupo A 94

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Capítulo 1

Introdução

As tecnologias alteraram a forma como o ser humano se relaciona, age, mas principalmente como se comunica. A geração atual de crianças e adolescentes, denominados de nativos digitais, estão crescendo e se desenvolvendo com constante interação com as Tecnologias da Informação e Comunicação (TICs). Entretanto, no ambiente escolar esse cenário muda, tornando o uso das TIC incomum e muitas vezes proibido.

No estado de São Paulo, o governador Geraldo Alckmin alterou a Lei 12.730/2007 1 _que determina a proibição do uso de dispositivos eletrônicos pelos discentes em sala de aula. A modificação da Lei, sancionada no dia 06 de Novembro de 2017, permite o uso de tecnologias em sala para fins pedagógicos, sendo sua utilização mediada pelos professores. As redes permanecerão com filtro de acesso e o discente não terá completa liberdade de uso, continuando a ser monitorada para evitar práticas indevidas que divirjam do objetivo da aula. Mudanças como esta incentivam a integração de tecnologia em sala de aula, além de consolidarem que o uso destas pode ser importante e beneficiar o discente durante o processo de ensino e aprendizagem, possibilitando a prática de novas metodologias.

1.1 Motivação e Justificativa

O cenário vivido atualmente é caracterizado por um grande fluxo e disponibilização de informações. Hoje, os discentes possuem acesso a qualquer tipo de informação em qualquer lugar que estiverem. Assim, apenas a detenção do conhecimento não é mais um diferencial. São necessários, o aprendizado de habilidades que possibilitem a proatividade e autonomia

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 15 na execução de tarefas, além da capacidade de solucionar problemas (L. LEITE; AFONSO, 2001). Neste sentido, diversas pesquisas são realizadas buscando estratégias que incentivem esta formação, sendo uma forte tendência as metodologias baseadas na Aprendizagem Ativa. A Aprendizagem Ativa se conceitua como aquela na qual o estudante é o agente principal na construção de seu conhecimento, seja por meio da realização ou solução de atividades práticas (AUSUBEL, 1963).

A Confederação Nacional da Indústria (CNI) divulgou que os cursos de engenharias são fundamentais para o desenvolvimento de inovação e tecnologia no país, fatores importantes para sua sustentabilidade econômica (CNI, 2016). No Brasil, o governo tomou medidas para incentivar o estudo nas áreas STEM (Ciências, Tecnologia, Engenharia e Matemática, da sigla em inglês Science, Technology ,Engineering, Math) através do Plano Nacional da Educação (2014-2024). Este plano determina a realização de práticas pedagógicas de incentivo a estratégias que contextualizem conceitos teóricos com atividades práticas, visando motivação à experimentação científica (DEPUTADOS DO BRASIL, 2014). Para isto ser possível, se faz necessário o desenvolvimento de objetos de aprendizagem baseados em metodologias que incentivem a realização de atividades práticas e motivem o discente a buscar novos conhecimentos. Dentre as possibilidades está a integração de tecnologias computacionais como ferramentas facilitadoras no processo de ensino e aprendizagem. Um exemplo desse tipo de ferramenta é a aplicação de laboratórios remotos, que possibilitam a manipulação de experimentos reais a distância. O funcionamento dos laboratórios remotos ocorre por meio do envio de comandos e visualização por uma transmissão ao vivo. Esse tipo de ferramenta facilita a realização do fazer científico, não importando o local ou hora que o usuário deseje realizar as atividades práticas.

O propósito de desenvolvimento deste trabalho é a verificação da eficácia de utilização de jogos digitais integrados a laboratórios remotos como ferramenta motivadora da aprendizagem.

1.2 Problema

Dentre os cursos de graduação disponíveis, as áreas de ciências, matemática e computação apresentam um baixo interesse por parte dos discentes, possuindo 22,1 por 10.000 de matrículas, quando em comparação com cursos de áreas humanas, como ciências sociais,

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 16 negócios e direito que apresentam 145,5 para cada 10.000 de habitantes em matrículas (INEP, 2017).

Outro problema, é que os cursos presenciais de graduação de áreas STEM enfrentam um elevado número de evasão. Dados do Censo de Ensino Superior (INEP, 2017) mostram que, em 2016, o número de ingressantes em cursos nas áreas de ciências, matemática, computação, e engenharia, produção e construção somam 27,2 para cada 10.000 habitantes, enquanto a taxa de concluintes cai para 9,1 a cada 10.000 habitantes .

Uma análise realizada em 2016 pela Confederação Nacional da Indústria indica que, no ano de 2015, a taxa de evasão de cursos presenciais de graduação de Engenharia era de 25%; sendo calculada como base na Taxa de Permanência. Dados mostram que, desde 2011, apenas 75% dos discentes permanecem no curso no ano seguinte, o que significa que 5 anos após, em 2017, apenas 40% dos discentes concluirão seus estudos (CNI, 2016).

Diversos estudos são realizados para compreender e reverter os fatores que causam desistência em cursos relacionados a disciplinas STEM. Em 2012, o Instituto Lobo para o Desenvolvimento da Educação, Ciência e Tecnologia afirmou que a causa está na deficiência na formação básica em matemática e ciências (LOBO, 2012). Além disso, os discentes se sentem desmotivados, resultado da falta de realização de atividades práticas durante o curso.

Para a realização de modificações e melhorias na formação básica, é necessário a disponibilização de estruturas de apoio ao ensino, como laboratório de ciência e informática. No Brasil, as escolas da rede pública enfrentam dificuldades em manter essas infra-estruturas funcionais. De acordo com dados divulgados pelo movimento "Todos pela Educação", apenas 4,8% das escolas de educação básica possuem laboratórios voltados à experimentação científica completos. Nas escolas de ensino médio este número aumenta para 22,6% (EDUCAÇÃO TPE, 2017)

Apesar dos diversos desafios elencados, medidas governamentais foram tomadas visando a modernização das escolas. Atualmente, 81% das escolas da rede pública possuem laboratórios de informática, entretanto apenas 59% desses é utilizado em sua totalidade (CETIC, 2016). Dentre as dificuldades apontadas está a adequação do uso de tecnologia nas atividades em sala.

Nesse contexto, identifica-se a questão de pesquisa: é possível utilizar as tecnologias como instrumentos motivadores no processo de ensino e aprendizagem de disciplinas de áreas STEM?

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 17

1.3 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo estudar a integração entre jogos digitais e experimentos disponibilizados em laboratórios remotos, avaliando a eficácia de integração como aspecto motivacional para o aprendizado.

1.3.1 Objetivos Específicos

Para atingir o objetivo geral, o propósito inclui ainda alguns tópicos a serem alcançados, listados a seguir:

• Desenvolver um jogo digital integrado a um experimento remoto voltado ao ensino de física, na temática do efeito fotovoltaico;

• Validar a pesquisa ocorrerá a partir da utilização do jogo digital resultante em turmas do Ensino Médio, a fim de verificar sua eficiência na motivação dos discentes para o aprendizado do tema;

• Comparar a eficácia em relação à utilização individual de cada objeto de aprendizagem, sendo (i) os laboratórios remotos e (ii) laboratórios remotos integrados a jogos digitais.

1.4 Organização do Texto

Pretendendo a explanação e exposição de conteúdos, esta pesquisa está organizada nos seis capítulos que seguem. O Capítulo 1 apresentou uma breve introdução ao tema estudado, juntamente com a motivação, justificativa e problemas relacionados ao assunto, para então expor o objetivo geral do trabalho.

O Capítulo 2 discorre sobre o referencial teórico necessário para compreensão da pesquisa, focando nos conceitos de laboratórios remotos, da metodologia de Game Based Learning. São discutidos também conceitos psicopedagógicos relacionados a aprendizagem, sendo Construtivismo, Construcionismo e metodologias de motivação e contextualização do ensino.

O Capítulo 3 objetiva a descrição do estado da arte, apresentando os trabalhos relacionados a integração de laboratórios remotos com jogos digitais.

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 18 O Capítulo 4 traz a proposta do trabalho, elencando os materiais e métodos implementados para a concepção do experimento remoto utilizado, a concepção do jogo digital desenvolvido e a forma de validação e avaliação da pesquisa.

O Capítulo 5 descreve o jogo digital integrado a um experimento remoto, denominado Fotovolt, objeto de estudo desta pesquisa.

O Capítulo 6 descreve as atividade realizadas durante a validação, coleta e avaliação de dados, incluindo a análise dos resultados obtidos.

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 19

Capítulo 2

Fundamentação teórica

Com o advento da Internet, diversas tecnologias puderam ser desenvolvidas, trazendo facilidades inimagináveis a sociedade. O ambiente educacional também foi privilegiado, possuindo diversos objetos de aprendizagem suportados pelas tecnologias que auxiliam o processo de ensino. Para que a integração das tecnologias computacionais na educação ocorra de forma eficiente, se faz necessária a implantação de metodologias que possibilitem um planejamento de aula para a realização de atividades. Além disso, é preciso disponibilizar apoio ao docente para compreensão da capacidade, funcionalidade e possibilidades de aplicação das TIC como ferramentas de apoio.

Para o desenvolvimento e validação deste trabalho serão utilizadas e criados alguns objetos de aprendizagem - Laboratórios de Experimentação Remota, Jogos Digitais e um novo objeto resultante da integração destas duas tecnologias - fazendo-se necessária suas conceituações para melhor entendimento. Esse capítulo também apresenta o levantamento de teorias de ensino.

2.1 Laboratórios Remotos

A Internet das Coisas (Internet of Things - IoT) é um campo da computação que estuda a interação de dispositivos físicos por meio de sensores e conexões com redes capazes de transmitir dados, possibilitando sua manipulação remota (DORMIDO, 2016). O termo foi utilizado pela primeira vez em 1999, por Kevin Ashton. Entretanto, a primeira invenção que parte deste princípio ocorreu em 1990, quando John Romkey criou uma torradeira que poderia ser controlada remotamente. O funcionamento do experimento ocorre baseado no

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 20 conceito de sistemas embarcados. Com o uso cotidiano da Internet, a IoT se tornou um campo em ascendência, utilizada em diversos áreas. Dentre as aplicações possíveis desta tecnologia, está a manipulação e controle de experimentos reais via uma plataforma de gerenciamento online, usando os denominais Laboratórios de Experimentação Remota.

Apesar de sua utilização ter sido impulsionada nos anos 90, com o surgimento da Internet, a exploração desse tipo de tecnologia já ocorria desde 1984, quando foi definido instrumento virtual como todo aquele desenvolvido através da programação, base conceitual para os laboratórios virtuais. É possível verificar a publicação de diversas propostas de aplicação de laboratórios remotos desde 1984. Entretanto, apenas em 1992, o termo “Laboratório Distribuído” foi atribuído a um experimento com um microscópio remoto (GARCIA-ZUBIA; LÓPEZ-DE-IPIÑA; ORDUÑA, 2005).

No meio educacional, os Laboratórios Remotos podem ser conceituados como ferramentas de apoio ao ensino investigativo, que possibilitam o discente relacionar a teoria dada em sala com atividades práticas e o fazer científico. Os laboratórios remotos são mecanismos para solucionar desafios enfrentados pelas instituições de ensino, desafios de caráter financeiro, de espaço e de tempo.

O uso dessa tecnologia viabiliza a descentralização do ensino, superando barreiras geográficas para a realização de atividades práticas, podendo ser realizadas independentes da localização do discente. Entre seus objetivos, estão o incentivo a realização de atividades práticas; redução de custos relacionados a manutenção de laboratórios científicos; permitir a experimentação não importando a distância geográfica ou horário de acesso (possibilitar que a investigação seja realizada fora do horário de aula); integração de diferentes objetos de ensino, como materiais didáticos, simulações, acessos a equipamentos (J. B. SILVA, 2007).

O funcionamento dos laboratórios remotos é baseado em estruturas distribuídas com arquitetura cliente-servidor, ilustrado na Figura 2.1. A interação ocorre por meio de uma interface web, podendo ser em ambientes virtuais de aprendizagem, plataformas de gerenciamento, entre outros. São disponibilizadas chaves ou blocos de comandos, por exemplo, para manipulação e controle do experimento. Além disso, possuem uma tela para transmissão em tempo real das alterações realizadas.

A prática de atividades com experimentos remotos possibilita que discentes desenvolvam determinadas habilidades, tais como: capacidade de compreender que as tecnologias da informação podem ser utilizadas para realização de atividades sérias; o estudante passa a

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 21 trabalhar em projetos nos quais há necessidade de análise e avaliação de dados; trabalhar de forma colaborativa (SCHAUER et al., 2008).

Internacionalmente, o uso dos laboratórios remotos pode ser exemplificado pelo o WebLab-Deusto 1_{, da Universidade de Deusto, Espanha, que iniciou suas pesquisas com} estudos sobre a utilização de CPLD através da Internet. Esse laboratório possui um reconhecimento mundial, agraciado com diversos prêmios, como o prêmio UD-Grupo Santander. Ele disponibiliza 8 experimentos remotos em sua plataforma online, incluindo o projeto VISIR+: Sistemas Virtuais de Sistemas em Realidade, em parceria com universidades do mundo inteiro, objetivando definir, desenvolver e avaliar um conjunto de módulos educacionais suportados pelo laboratório remoto denominado Sistemas Virtuais de Sistemas em Realidade.

Na Universidade de Santa Catarina, no Brasil, os laboratórios remotos são estudados desde 1997 pelo Laboratório de Experimentação Remota (RExLab)2_{, quando este desenvolveu um} experimento de nome homônimo ao laboratório que permitia a execução de um software para o microcontrolador 8051. Atualmente, engloba uma rede de 12 universidades (RexNet) em 5 diferentes países. O RExLab disponibiliza 17 experimentos open source de forma gratuita e em três idiomas, sobre conteúdos relacionados a disciplinas STEM. Também existe uma série de materiais didáticos, de apoio a aplicações, e técnicos. Recentemente, o RExLab passou a participar do projeto VISIR.

2.2 Digital Game Based Learning

O hábito de jogar está presente durante toda a evolução do ser humano. Desde os primórdios alguns conhecimentos eram ensinados aos mais novos de uma forma lúdica, como a ação de correr visando a sobrevivência. Até em animais irracionais este comportamento pode ser percebido, quando há preparação para combate durante confrontos no formato de brincadeiras.

A palavra “jogos” origina-se do latim ludus, que significa lúdico, divertimento. Apesar disto, é errônea a caracterização de jogar como algo que apenas favorece o entretenimento. O homem é caracterizado como um ser em desenvolvimento, que constantemente se desloca de um estágio cognitivo a outro. Isto só ocorre por meio da realização de ações que visam a

1_{http://weblab.deusto.es/website/index.html} 2_{www.rexlab.ufsc.br}

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 22 satisfação de necessidades. Este avanço ocorre em meio a mudança motivacionais, tendências e incentivos (VYGOTSKY, 1998). Neste cenário, os jogos estimulam o desenvolvimento cognitivo, emocional e social do ser humano de forma natural e se adéquam à sua realidade conforme seu crescimento.

Dada a importância do hábito de jogar na vida humana, é evidente que com o desenvolvimento de tecnologias da informação os jogos evoluiriam, se adequando às novas mídias digitais. São classificados como jogos digitais todos aqueles que envolvem a interação com sistemas que retornem dados por uma interface gráfica. Neste contexto, muitos jovens são introduzidos ao mundo tecnológico por meio dos jogos digitais.

A utilização das TIC, incluindo jogos digitais, faz parte do perfil dos discentes atuais. Integrar esta ferramenta no processo de ensino e aprendizagem vem se mostrando uma estratégia eficiente. A utilização de jogos na educação é um tema bastante discutido. Em 1959, Ardiel Lubin publicou o artigo nomeado “A learning model based on brown’s iterative solution to rectangular games”, sendo uma das primeiras menções do uso destes (jogos) como ferramentas de apoio a aprendizagem. Os jogos digitais integrados na educação proveem oportunidades para os discentes manipularem tecnologias atrativas que envolvem a solução de problemas. Além de serem caracterizadas como ferramentas motivadoras à aprendizagem, funcionam como facilitadores para compreensão de conteúdos complexos (BIANCHIN, 2010). Para a implantação dos jogos educacionais de modo eficiente, é preciso a elaboração de estratégias metodológicas de ensino. Em 2001, Prensky utilizou o termo Digital Game Based Learning (DGBL) para se referir a uma metodologia de ensino baseado na utilização de jogos digitais. O foco de discussão para elaboração desta pesquisa foi na resposta dos discentes ao uso dos jogos, como o ensino utilizando jogos funciona e porque são estratégias eficientes. Esta metodologia é caracterizada como sendo qualquer integração entre conteúdos educacionais e jogos de computadores/digitais.

A fundamentação desta metodologia parte da premissa que a geração de jovens atual, chamados de nativos digitais, aprendem de uma forma diferente. Se faz necessário a construção de ambientes que contextualizem o discente, qualidade que os jogos digitais possuem por seu caráter interativo. Dentre as características interativas dos jogos digitais estão: presença de feedback; aprendizado baseado em atividades práticas; aprendizado baseado no erro e acerto; atividades guiadas por metas e contextualizadas; construção do conhecimento por meio de descoberta (PRENSKY, 2012).

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 23 O conceito central da DGBL é a motivação como impulsionadora da aprendizagem, visando o desenvolvimento de habilidades, como: interesse, competitividade, cooperação, orientação a resultados e busca ativa de informações e soluções. Os jovens destas novas gerações, como todo ser humano, tendem a ter facilidades em aprender aquilo que não é imposto a eles. A utilização de computadores e jogos digitais provê esta oportunidade de aprendizagem (PRENSKY, 2003). No entanto, para que um jogo digital possua aplicabilidade educacional, e para que esta ocorra de forma bem sucedida, alguns cuidados preliminares devem ser tomados. Dentre estes, a percepção do público de discentes que irão utilizar a tecnologia e sua compatibilidade com o conteúdo abordado. Também a definição de mecanismos de inserção do conteúdo didático no cenário lúdico, incluindo caraterísticas técnicas de design e efeitos (BOOTS; STROBEL, 2014). É necessário um equilíbrio entre características envolventes e lúdicas com conceitos didáticos e que acrescentem à aprendizagem, buscando apresentar os conteúdos pedagógicos de modo convidativo e simples.

2.3 Desenvolvimento e Aprendizagem

Com a integração das TIC no contexto de ações humanas, fez-se necessária a elaboração de estratégias que melhor se adéquem as suas finalidades de utilização e contexto. Na área educacional esta noção se faz presente a partir do momento que estes novos objeto de aprendizagem, baseados em TIC, são implantados como ferramentas de ensino, levantando questionamentos quanto aos métodos e práticas educacionais (VALENTE, 1993a).

Realizou-se uma pesquisa bibliográfica sobre as diversas teorias sobre o conhecimento e o seu desenvolvimento que norteiam metodologias relacionadas ao processo de ensino e aprendizagem. Nas próximas sub-seções serão descritos pensamentos relacionados ao Construcionismo, além de abordar conceitos sobre como as formas de apresentação de conteúdos e realização de atividades práticas, contextualizadas com o dia a dia do discente, influenciam nas emoções deste e na construção de um conhecimento com significado.

2.3.1 Construtivismo

O estudo do conhecimento, denominado como epistemologia, tenta solucionar um problema presente ao longo da história científica referente às etapas e limites do conhecimento. Dentre os pensadores que apoiam esta teoria está Jean Piaget, biólogo e psicólogo suíço, que

(24)

destacou-CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 24 se com suas pesquisas sobre o conhecimento e as influências biológicas e sociais que este sofre, resultando no pensamento Construtivista.

Piaget rejeitou os pensamentos dos filósofos que o antecederam quanto a isto, não acreditando que o conhecimento é inato ao ser humano, e não aceitando que o indivíduo recebe e copia o conhecimento do meio. Em sua percepção, a construção do conhecimento é um processo interno, no qual o conhecimento é construído a partir da interação do sujeito com o meio, relacionando as novas percepções adquiridas com as anteriores existentes. Segundo Piaget, o indivíduo não herda a inteligência, mas sim uma série de estruturas biológicas que possuem propensão ao surgimento de estruturas mentais. O organismo que herdamos entrará em processo de amadurecimento conforme sua interação com o ambiente (RAPPAPORT, 1981). A conceituação de ambiente é dada tanto para aspectos físicos, como também sociais, de relacionamentos humanos.

No decorrer do desenvolvimento cognitivo, o sujeito passa por determinados estágios ou períodos. Estes correspondem a determinadas tomadas de ações e estruturas cognitivas particulares que o definem, e estão em constante evolução (PIAGET, 1964). Cada estágio pode ser considerado como uma qualidade da inteligência, e todos apresentam mecanismos funcionais comuns, nos quais toda ação é desencadeada por uma necessidade, e manifestada por um desequilíbrio.

Assim, Construtivismo é uma teoria, um modo de ser do conhecimento ou um movimento do pensamento que emerge do avanço das ciências e da filosofia. É um estudo que não foi concebido com o intuito de ser uma prática ou método, mas sim uma forma de interpretar o processo de ensino, aprendizagem e desenvolvimento do conhecimento desde sua gênese (BECKER, 1994). O objeto de estudo do construtivismo é o sujeito e sua capacidade de absorver elementos dos objetos com que interage e integrá-los aos seus conhecimentos (LA TAILLE, 1990).

Embora o interesse de Piaget não fosse aplicar sua teoria na educação, suas ideias tiveram bastante repercussão nesta área. Sua dedicação à educação sempre foi secundária, mas é possível verificar a publicação de dois livros (Piaget, 1969; 1972) e alguns artigos.

2.3.2 Construcionismo

Seymor Papert foi um matemático e educador nascido na África do Sul, com destaque em seus estudos sobre a utilização das tecnologias computacionais na educação. Como trabalhou com

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 25 Piaget (de 1958 a 1963), baseou-se na teoria construtivista piagetiana para o desenvolver o Construcionismo.

O Construcionismo parte da premissa, assim como no Construtivismo, que o ser humano é capaz de construir seu conhecimento a partir da apropriação e uso de materiais disponíveis, além de modelos e metáforas de seu meio cultural (MARTINS, 2015). O questionamento inicial da pesquisa de Papert era como que seria possível criar condições para a construção do conhecimento. Ele obteve como resposta a utilização dos computadores, tecnologias que podem ser empregadas como ferramenta de ensino, auxiliando o discente a construir seu conhecimento (PAPERT; HAREL, 1991). Segundo o construcionismo, os conceitos devem ser adquiridos por meio do desenvolvimento de atividades práticas, que contextualizam o conteúdo teórico a experiências do cotidiano. Nessas atividades, o conhecimento é construído a partir da elaboração de um objeto de interesse, podendo ocorrer por meio da programação de um aplicativo, por exemplo (VALENTE, 1993c).

A aplicação das tecnologias computacionais pode ocorrer de duas maneiras: na primeira, o computador é o objeto de pesquisa, ou seja, são estudados seu funcionamento e manipulação. Na segunda maneira, os computadores são o meio de instrução; nesta, é o discente que “ensinará” o computador a realizar determinadas tarefas (VALENTE, 2008). Na segunda maneira, a aprendizagem é caracterizada como autodirigida, na qual o discente é um agente ativo durante processo.

Para por em prática o paradigma construcionista, se faz necessária a obtenção de conhecimentos computacionais. Como consequência disto, a formação deste discente apresenta peculiaridades, diferentes daquelas se o mesmo curso fosse apresentado no modelo tradicional de ensino (VALENTE, 1993b). Há possibilidade de atividades que integrem diferentes áreas do conhecimento, por meio de projetos interdisciplinares.

Pode-se concluir que os estudos de Papert propõem a construção do conhecimento por meio do aprender fazendo (learning-by-making) (PAPERT; HAREL, 1991). A criação de objetos por meio do computador auxilia o discente a expressar seus pensamentos, tornando o conhecimento mais concreto facilitando, assim, sua compreensão (ACKERMANN, 2001). Desta forma, o computador é uma ferramenta, um meio pelo qual o discente é capaz de interagir e estimular seu pensamento criativo, interligando novos conhecimentos aos já existentes.

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 26

2.3.3 Metodologias de Motivação e Contextualização

No processo de ensino e aprendizagem, assim como em diversas outras ações realizadas pelo ser humano, o ser humano expressa emoções e sentimentos. Compreende-se então que emoção e cognição coexistem no ser humano durante todo seu desenvolvimento (S. A. d. S. LEITE, 2012). Estes sentimentos podem influenciar na motivação do discente em aprender conteúdos educacionais. A motivação é um sentimento que determina o abandono ou procedimento de uma atividade, e parte de escolhas individuais internas, que podem ser influenciadas por fatores externos.

A escolha da atividade e dos procedimentos que serão realizados em sala são etapas importantes no planejamento de uma aula. Estas podem influenciar na aproximação afetiva do discente com o conteúdo ou total desmotivação e perda de interesse (S. A. d. S. LEITE, 2012).

No ambiente escolar, discentes motivados são fáceis de serem reconhecidos, sendo aqueles que demonstram maior interesse, leem mais e tendem a continuar seus estudos; entretanto, são difíceis de serem encontrados (SKINNER; BELMONT, 1993). Isto se justifica através de uma análise do modelo de escola atual, que ainda segue o mesmo formato do século 18, não acompanhando a realidade do início do século 21 em que o discente vive, demonstrando o descompasso pedagógico em que a escola se encontra (VALENTE, 1993a).

Diversos estudos são realizados buscando identificar formas de promover e estimular a motivação do discente. Nota-se que a contextualização de assuntos é uma estratégia frequentemente citada (KELLER, 1983) (SKINNER; BELMONT, 1993). No processo de contextualização, os conteúdos são abordados e situados levando em considerações fatores do cotidiano, peculiaridades regionais e o perfil do discente (GOVERNO DO BRASIL, 1996). Neste modelo, o discente possui papel ativo na construção do conhecimento, sendo capaz de realizar a ligação entre seu cotidiano com conceitos científicos. Conforme a evolução da atividade, o discente tendencia a uma crescente motivação, pois identifica a utilidade e prática dos conteúdos aprendidos.

Neste cenário, em 1933, a teoria de Aprendizagem Significativa foi concebida pelo psicólogo David Ausubel. Essa propõe que todo conceito novo que o discente entra em contato é assimilado a partir da relação com estruturas cognitivas já formadas e pré-existentes (AUSUBEL, 1963). Neste modelo, a partir de um conteúdo que desperte seu interesse, o discente é capaz de construir seu conhecimento.

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CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 27 O uso das TIC em sala de aula se justifica pela necessidade de modernização do ensino, buscando estratégias para contextualizar conceitos dados em sala com eventos do cotidiano. Assim, o conteúdo exposto terá maior significado para o discente, o motivando e despertando sua curiosidade.

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 28

Capítulo 3

Estado da Arte

Neste capítulo são analisados os trabalhos relacionados encontrados a partir de uma revisão sistemática tendo como base a proposta desta pesquisa e a integração de jogos digitais com laboratórios remotos. Também é descrito, de forma breve, o protocolo utilizado para o levantamento de artigos acadêmicos.

3.1 Revisão sistemática: protocolo

Para realizar o levantamento de trabalhos relacionados a integração de laboratórios remotos com jogos digitais, fez-se uma revisão sistemática da literatura, seguindo o protocolo proposto por Kitchenham (2004). O protocolo é organizado em três etapas: planejamento, condução e extração. No planejamento são determinados: a pergunta que a busca objetiva responder, quais serão os critérios de seleção, e como será a estratégia de extração. Após, durante a fase de condução, é realizado o levantamento inicial de artigos e aplicados os critérios de inclusão e exclusão para sua seleção. Os artigos resultantes vão para a etapa de extração, na qual faz-se a leitura completa dos artigos para análise.

Para apoio a elaboração da query de busca foi utilizado o método PICo (População, Interesse, Contexto). O método PICo é um facilitador na condução da pesquisa, indicando itens a serem considerados durante a elaboração da query de busca (AKOBENG, 2005) Considerando as palavras-chave "laboratórios remotos"e "jogos digitais"e suas variações, elaborou-se a query de busca (("remote experiment"OU "remote experimentation"OU "remote laboratory"OU "remote lab") E (game OU "game based learning")). Esta query foi aplicada nas seguintes bases de dados: Web of Science, Scopus, Proquest, Engineering Village, Science

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 29 Direct, IEEE, e Learn Tech Lib. A escolha destas bases se justifica pelo caráter interdisciplinar da pesquisa.

Como critério de inclusão foi determinado que os artigos descrevam explicitamente processo de integração entre laboratórios remotos e jogos digitais. Como critério de exclusão foram desconsiderados artigos: com indisponibilidade de acesso, duplicados, não estar dentro da área de pesquisa pretendida, no formato de resumo ou que apresentaram os termos de busca apenas nas palavras-chave. Não foi limitado o período de publicação dos artigos visto o caráter inovador da pesquisa.

Para a análise final dos artigos, foram estabelecidos itens de interesse, sendo: (i) finalidade do artigo, descrição de um método de avaliação, (ii) aplicação em sala de aula, (iii) método de integração das tecnologias.

Como ferramenta de apoio para a realização da revisão sistemática utilizou-se o software gratuito START (State of the Art Through Systematic Review)1_{, desenvolvido pelo Laboratório} de Pesquisa em Engenharia de Software, da Universidade Federal de São Carlos. O START possibilita o preenchimento de informações sobre a busca tendo como base o protocolo de Kitchenham (FABBRI et al., 2016). A ferramenta possibilita o envio de informações bibliográficas (autores, resumo e palavras-chave) dos artigos levantados, facilitando a etapa de análise e verificando de forma automática a existência de artigos duplicados nas bases. Após a etapa de seleção apenas os artigos aceitos são disponibilizados na de extração.

3.2 Trabalhos Relacionados

O levantamento inicial desta revisão sistemática resultou em 445 artigos, sendo analisados 404 não duplicados. Destes, 18 foram selecionados. A partir da leitura da Tabela 3.1, podemos perceber que, em sua maioria, os artigos foram encontrados na base Web of Science, totalizando 221. Entretanto após extração o maior número de artigos teve origem da base Scopus.

Ao fim da etapa de extração, 12 artigos foram selecionados para análise. Após a extração, durante a etapa de análise, buscou-se responder as seguintes perguntas: qual o protocolo de integração entre o jogo digital e o laboratório remoto utilizado?, como foi realizada a validação do jogo digital?, foi utilizada alguma metodologia para avaliar a experiência do usuário?. A partir

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 30 Tabela 3.1: Número de artigos encontrados em cada etapa da revisão sistemática.

Base de Dados Levantamento inicial Seleção Extração

Engineering Village 12 3 1

IEEE 22 -

-Learn Tech Lib 15 1 1

Proquest 58 1

-Science Direct 31 -

-Scopus 46 12 10

Web of Science 261 1

-Total 445 artigos 18 artigos 12 artigos

de suas respostas e da análise da contribuição principal dos artigos, foi possível categorizá-los em quatro grupos: (1) Pesquisa Teórica, (2) Proposta de Pesquisa, (3) Protótipo, (4) Pesquisa com Validação.

Tabela 3.2: Pesquisa teórica

Ano Objetivo Autores Fonte

2011 Revisão teórica dos princípios necessários Dziabenko & Gacia-Zubia [C] para integração entre labs remotos e jogos

[A] Engineering Village [B] IEEE [C]Scopus [D] Web of Science

O trabalho mais antigo, publicado em 2011, trata de uma pesquisa teórica que objetiva discutir os conceitos de funcionamento para integração de laboratórios remotos com jogos digitais (Tabela 3.2). Enfatizou-se os métodos de desenvolvimento dos jogos educacionais, e em como estas tecnologias são capazes de impactar de forma positiva o discente (DZIABENKO; GARCIA-ZUBIA, 2011). O artigo é organizado de modo a explicar o funcionamento dos laboratórios remotos e do modelo Aprendizado Baseado em Jogos. Este estudo é um dos primeiros encontrado a realizar um levantamento das características necessárias para um experimento remoto ser integrado a um jogo educacional. Os tópicos abordados incluem: modelo de jogo experimental, narrativa de um jogo, elementos de aprendizagem e desafios. Assim como, discutir quais passos e arquiteturas básicas são necessárias para a integração destas tecnologias e como aplicá-las. Para os autores é importante determinar qual a abordagem pedagógica o jogo será baseado, quais serão os

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 31 desafios, ter apoio pedagógico, analisar as limitações dos experimentos remotos e como será trabalhado no jogo, balancear o design do jogo entre desafios e motivações.

Tabela 3.3: Proposta de Pesquisa

2016 Propõe um laboratório remoto distribuído Cano et al [C] baseado no instrucionismo e design motivacional

para ensino de Cibersegurança

2016 Propõe uma arquitetura genérica Rodriguez et al [C] para laboratórios remotos

2016 Descreve o projeto RALfie e Kist et al [C] a proposta de arquitetura em pares

através da aprendizagem baseada em missões [A] Engineering Village [B] IEEE [C]Scopus [D] Web of Science

Foram levantados também três propostas de futuros trabalhos, elencados na Tabela 3.3. Em 2016, foi proposto a elaboração de uma arquitetura genérica para laboratórios remotos imersos em um ambiente virtual gamificado (RODRIGUEZ-GIL; GARCIA-ZUBIA; ORDUÑA, 2016). A justificativa da proposta se dá a partir da visão de criação de laboratórios remotos mais avançados, e criação de novos paradigmas utilizando uma tecnologia já estabelecida. Outra proposta encontrada, também de 2016, descreve um projeto para desenvolvimento de um laboratório remoto distribuído combinando elementos de jogos e de design instrucional (CANO et al., 2016). A arquitetura instrucional será baseada no modelo eventos de Gagne2_e no modelo motivacional ARCS (Atenção, Relevância, Confiança e Satisfação) de Keller3 _será utilizado para avaliação de aspectos motivacionais. A abordagem será voltada ao aprendizado de cibersegurança e infraestruturas críticas. Os autores justificam o projeto pela forte metodologia didática. A outra proposta levantada foi da estruturação do projeto RALfie (Remote Access Laboratories for Fun, Innovation, and Education), uma plataforma de desenvolvimento de laboratórios remotos (KIST et al., 2016). O projeto permitiria que o usuário desenvolvesse seu próprio experimento remoto em meio a uma abordagem em pares. As atividades seriam baseadas na gamificação e no modelo de aprendizagem baseada na solução de missões.

Três trabalhos encontrados foram categorizados como Protótipo de Pesquisa (Tabela 3.4), pois apresentam a descrição de implementação da tecnologia, entretanto não possuem dados

2_{http://epubstep.info/conditions-of-learning-written-content-ebook-robert-m-gagne.pdf} 3_{https://www.arcsmodel.com/}

(32)

CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 32 Tabela 3.4: Protótipo

2011 Implementação de um jogo competitivo na plataforma Atanasijevic-Kunk et al. [C] ECHO Learning, avaliando a parte técnica

e pedagógica com estudantes de engenharia

2013 Descreve o protótipo de uma plataforma robótica Iturrate et al. [C] multidisciplinar voltada a programação básica

com Google Blocky

2014 Implementa realidade aumentada para programação Guenaga et al. [C] de um robô imerso a um jogo de lógica

de validação. Em 2011, foi implementado um jogo competitivo em um laboratório remoto para o ensino de controle de multivariáveis. O jogo foi elaborado no formato de um curso e disponibilizado em um ambiente virtual de aprendizagem (ATANASIJEVIC-KUNC et al., 2011). A arquitetura do jogo é baseada no Sistema de Gerenciamento de Aprendizagem e Conteúdo E-CHO e todo o controle de design e manipulação é feito utilizando o Matlab. O jogo é baseado em uma disciplina da Faculdade de Engenharia Elétrica. As tarefas foram divididas buscando alcançar quatro objetivos, sendo: (1) atividades laboratoriais, (2) evitar provas escritas, (3) evitar provas orais, (4) incentivar o estudante a continuar a pesquisa e realizar publicações. Os estudantes podem escolher qual projeto querem realizar e após devem se agrupar em duplas ou trios. Durante o projeto é utilizado um laboratório virtual, definido em um modelo matemático no Matlab, e um laboratório remoto. A atividade é organizada em três fases: (1) questões teóricas sobre sistemas multivariáveis, (2) estudantes devem elaborar o controle e testá-lo no laboratório virtual, (3) controle e teste em um laboratório remoto. Na última semana do semestre a atividade foi avaliada. O projeto foi aplicado durante dois anos em duas turmas diferentes, somando 33 estudantes. Foram aplicados questionários com 16 questões elaboradas no modelo Likert. Buscou-se avaliar a usabilidade e eficácia pedagógica da plataforma. Apesar de 50% dos estudantes afirmarem terem tido problemas técnicos, a maioria ficou satisfeita com a interação, transparência e organização das atividades. Quanto a eficácia, todos acreditam que ajudou o aprendizado da disciplina. Foram comparados os índices de aprovação na disciplina durante os anos de atividade com os anos sem a atividade, e o índice de aproveitamento aumentou consideravelmente após a implementação da atividade.

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 33 Iturrate et al. (2013) descrevem o desenvolvimento de uma plataforma que disponibiliza um robô imerso em mundo virtual gamificado. O objetivo da tarefa é o estudante movimentar um robô em meio a um labirinto até encontrar a saída. O sistema do experimento remoto utilizado está no Framework do WebLab-Deusto, da Universidade de Deusto. A arquitetura deste laboratório remoto é divida em três componentes principais: (1) microbot, parte física do experimento e central do sistema, (2) computador controlador ou micro-servidor do experimento, responsável pela comunicação entre o microbot e a interface, via Bluetooth, para envio de comandos, (3) Servidor WebLab-Deusto, conecta o computador principal com o Framework do Weblab-Deusto, responsável pela segurança, autenticação e fila de acesso. Para acessar o usuário deverá realizar o login da plataforma do Weblab-Deusto. Existem duas possibilidades de tela para o usuário, cada uma com um nível diferente de complexidade. Uma possibilidade é a manipulação do experimento por setas, tendo a visão frontal do robô e superior do labirinto. A segunda possibilidade inclui a programação em blocos para o envio de comandos ao robô. Para isto, o aplicativo Google Blockly foi integrado ao sistema. No artigo não é descrito nenhum tipo de avaliação da plataforma.

O projeto intitulado Serious Games for Education – Programming Skills (SG4Edu-PS), em português Jogos Sérios Educacionais - Habilidades de Programação, foi proposto em 2013 pela Universidade de Deusto. O SG4Edu-PS objetiva o suporte ao ensino de programação básica, incluindo o desenvolvimento de habilidades relacionadas a conceitos de algoritmo, lógica de programação, escrita e debugging de programas (GUENAGA et al., 2014). O hardware utilizado foi desenvolvido especificamente para este projeto, adaptável a aplicações de Realidade Aumentada, buscando flexibilidade de cenário e temas. A arquitetura do projeto é organizada em três níveis: (1) nível físico, o experimento remoto ROBOT, (2) interface com instruções imersa em uma realidade aumentada, (3) interface para o usuário final, incluindo o jogo. Teve-se como base a ementa do curso da Faculdade de Engenharia, focando no conteúdo de design e implementação de algoritmos em uma linguagem de programação orientada a objeto. O jogo é organizado em desafios, que durante sua evolução aumentam o nível de dificuldade e possibilidades de movimentação. O estudante deve consertar peças quebradas em um número limitado de movimentos, assim resolvendo da forma mais otimizada possível. Cada fase possui um nível de dificuldade crescente e novos elementos aparecem em cena. A interação com o experimento ocorre por meio da customização de um Servidor de Laboratório, que realiza comunicação com o Servidor WebLab-Deusto.

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 34 Tabela 3.5: Pesquisa com Validação

2012 Validação de uma metodologia par o uso Zualkernan et al. [C] de laboratórios remotos baseados em jogos

2013 Implementação do projeto Circuit Warz: Callaghan et al [C] mundo virtual integrado a realidade aumentada

no implementada no Second life utilizando painel AC

2013 Implementação e validação de um laboratório Zualkernan et al. [B] remoto para o ensino de integral proporcional

2015 Implementa um robô e avalia as preferências Hoffmann et al. [C] de controle durante uma prática em realidade virtual

2015 Implementa e valida o LaboREM,um braço robótico Luthon & Larroque [A] disponibilizado em um ambiente colaborativo gamificado

Por fim, cinco trabalhos possuem dados de avaliação, assim foram categorizados como Pesquisas com Avaliação, elencados na Tabela 3.5. Na Universidade Americana de Sharjah foi realizado um estudo sobre o desenvolvimento de laboratórios remotos fundamentado na metodologia de exposição e solução de problemas (ZUALKERNAN; AL HUSAINI et al., 2012; ZUALKERNAN; HUSSEINI et al., 2013). O estudo foi voltado ao ensino de química, e ocorreu durante os anos de 2012 e 2013. A interface do laboratório remoto foi gamificada, ou seja, desenhada no contexto lúdico de jogos. A atividade proposta objetiva o aprendizado sobre sistema em oscilações e como estabilizar ou mudar o estado de um sistema para seu ponto inicial. Para isto, é disponibilizado um experimento remoto colaborativo, no qual dois tanques de água idênticos são controlados por uma interface digital. O jogador deverá tentar manter seu tanque de água estável, enquanto é atacado pelo oponente. Dentre os principais diferenciais do jogo de laboratório remoto estão: comunicação entre a interface do jogo com redes sociais para cadastro e acesso; possibilidade de utilização em dispositivos móveis; possibilidade do usuário criar sua própria sala de jogo ou a partir de um existente. Um estudo piloto foi realizado no curso de Engenharia Química, e avaliado por dois grupos. O grupo de controle não jogou o jogo, enquanto o grupo experimental foi dividido em seis equipes. Um questionário procedural foi aplicado no inicio e final das atividades, buscando verificar se houve melhoras na performance do estudante. Os resultados indicam que o jogo apresenta aceitação por parte dos estudantes e preferência de utilização em computadores a dispositivos móveis. Quanto ao apoio didático, 84% dos estudantes acreditam que o jogo ajudou na aprendizagem do assunto, 50% se sentiu mais motivado depois de jogar. Todos os

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 35 estudantes acharam o jogo atraente. Ao final do estudo foram comparados os resultados dos testes conceituais entre o grupo de controle e o experimental. Os resultado não possuem nenhuma diferença estatística significativa.

Proposto em 2013, o jogo digital Circuit Warz, desenvolvido e aplicado na Universidade de Ulster, busca o apoio a prática de eletrônica (CALLAGHAN et al., 2013). O projeto utiliza mundos virtuais 3D como interface para laboratórios remotos, integrado a um ambiente virtual de aprendizagem (Moodle). A ferramenta Second Life foi utilizada para desenvolver o mundo virtual utilizado. Dentre seus diferenciais há infra-estrutura de hardware básico que se altera a cada nível. O layout gráfico foi desenvolvido visando recriar o hardware físico real utilizado do experimento remoto. As páginas do ambiente virtual de aprendizagem são mostradas dentro do mundo virtual imerso ao funcionamento do jogo. A zona de aprendizagem é dividida em quatro sessões: (1) registro, (2) criação do time, (3) material de suporte e (4) questionários. O jogo se situa em um futuro próximo no qual a Terra sofre ameaças de invasão alienígena. Para defender o planeta é construído um laser na Lua, que, prestes a disparar, apresenta mau funcionamento. O jogador deve resolver enigmas e interagir com o simulador através da aplicação prática da teoria de circuitos, a tempo para corrigir o gerador para disparar o laser e salvar o planeta Terra. A partir deste contexto lúdico, o jogo digital objetiva a aplicação prática da teoria de circuitos, o qual cada equipe deverá solucionar o desafio o mais rápido possível. O jogo também disponibiliza a integração com um software de análise de jogos para os educadores podendo rastrear os tipos de jogadores, verificar o impacto sobre o uso e as alterações de retenção no jogo e alterar a dificuldade e recursos. Não foram realizados testes em sala de aula, entretanto a equipe acadêmica envolvida acredita que a abordagem tem potencial.

Em 2016, foi realizado pesquisas sobre a manipulação de um braço robótico via comandos de jogos digitais, sendo a interface imersa em uma realidade virtual (HOFFMANN et al., 2016). O design do laboratório remoto foi desenvolvido visando prática para estudante de engenharia, o usuário é imerso em um cenário que permite a manipulação um braço robótico. A interação com o experimento ocorre via várias interfaces, comunicando o laboratório virtual criado na interface do usuário com o hardware real. O controle é realizado por dois painéis de controle que o usuário pode visualizar no laboratório virtual e utilizar controles de jogos para manipular. Foram utilizados dois mecanismos de controle: (a) cinemática direta, para controle direto dos ângulos de cada robô, (b) cinemática inversa, para controle dos eixos

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 36 resultando em uma trajetória dinamicamente calculada. Nos testes realizados foi utilizado o controle de Nintendo Wii. A validação do jogo foi realizada com turmas de engenharia da Aachen Universisty, Alemanha, a qual foi dividida em dois grupos. Seguiu-se seis passos de atividades durante os testes, sendo: (1) questionário teórico, (2) pré-questionário sobre as experiências com jogos digitais dos usuários, (3) Grupo A, com cinemática direta, e Grupo B, com cinemática inversa, (4) questionários sobre a experiência, (5) inversão de controle de cada grupo, (6) questionário sobre a nova experiência. Os resultados demonstram que os usuários não demonstram alteração significativa diante as duas formas de controle.

Na Universidade de Pau, França, foi realizada uma pesquisa em 2015 sobre a implementação de características de jogos digitais em um ambiente virtual de aprendizagem (AVA) para a manipulação de um laboratório remoto (LUTHON; LARROQUE, 2015). O projeto intitulado LaboREM permite a manipulação de um braço robótico em um ambiente colaborativo para a prática de eletrônica. A arquitetura de funcionamento é feita via um gerenciador virtual que armazena os dados do experimento, organiza a fila de acesso e conexão dos usuários. Caso o experimento esteja sendo utilizado, o sistema possibilita a quem está na fila visualizar o que está acontecendo pela câmera do experimento ou então realizar outras atividades do curso disponível no AVA. O curso desenvolvido possui atividades conceituais, materiais de apoio e a atividade prática no experimento. O usuário também pode comparar seus resultados obtidos no experimento remoto em uma simulação também disponível no AVA. Os estudantes que possuírem melhores rendimento nas atividades são listado no hall da fama, mostrando a pontuação ganhada em cada atividade. A validação do LaboREM ocorreu durante quatro anos, em diferentes turmas do curso de Engenharia Industrial. Foram realizadas análises estatísticas relacionadas a pontuação, tempo utilizado em cada atividade e a motivação do estudante. A aceitação do usuário com relação a experiência foi medida a partir de um questionário com questões na escala Likert. Os resultados demonstram que 75% dos estudantes aprovam a plataforma, e acreditam ser uma estratégia eficiente de ensino.

No Brasil, também existem pesquisas relacionadas ao tema. Recentemente foi desenvolvido um jogo digital baseado em mundos virtuais 3D integrado ao experimento remoto “Microscópio Remoto”. O projeto visa o ensino de biologia, especificamente sobre a morfologia de plantas angiospermas, para turmas de 6º ano da educação básica (ANTONIO et al., 2015). No jogo, o estudante é ambientado a uma ilha dividida em cinco setores, cada

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 37 uma visa abordar uma parte da planta: raízes, caules, folhas e frutos. Foram desenvolvidos e incluídos vídeos informativos sobre as partes da planta estudada no mundo virtual, de modo que o estudante não precise sair da atividade em busca de material de apoio. Ao final de cada seção, o discente tem acesso a um ambiente virtual de aprendizagem para resolução das atividades e acesso a materiais didáticos. Chegando ao final da trilha é possível visitar uma casa na árvore, na qual ocorre a interação com o experimento remoto. Foram realizados testes em turmas de 6º ano da rede pública de ensino em Araranguá, Santa Catarina. Após três meses de aplicação deste projeto, foram aplicados questionários com os estudantes e professores responsáveis pela disciplina. Foi possível concluir que 97% dos estudantes afirmaram se sentir mais motivados a aprender biologia após a utilização das tecnologias no ambiente escolar. Quanto a utilização de mundos virtuais 3D como ambientes de intermédio à utilização de experimentos remotos obteve uma aceitação tanto pelos estudantes, quanto pelos professores.

3.2.1 Considerações sobre os trabalhos

O uso de laboratórios remotos pode ser definido em uma estrutura com etapas a serem seguidas. Após a leitura dos artigos notou-se que inicialmente são definidos público-alvo e disciplina que o experimento remoto irá atender. Elementos técnicos também são definidos, incluindo o software, hardware e plataforma que será disponibilizado. Após a etapa de criação o experimento remoto está disponível para ser manipulado. A partir desta etapa educadores e usuários podem elaborar atividades práticas e estratégias de ensino para uso do experimento. Assim metodologias para aplicar e avaliar a ferramenta.

No contexto dos trabalhos levantados a nossa pesquisa buscou embasamento metodológico para o desenvolvimento o jogo digital integrado ao experimento remoto. Dos trabalhos encontrados a integração do jogo com o laboratório se deu a partir de um experimento remoto já existente e sua adaptação ou inclusão a jogos. O trabalho de Dziabenko e Garcıa-Zubia (2011) foi utilizado como base teórica das características necessárias para um jogo ser considerado educacional.

Dentre os trabalhos encontrados, nota-se que em grande parte é utilizada técnicas de gamificação. Em alguns casos são inclusos elementos de jogos na interface de manipulação do experimento remoto. Temos como exemplo o trabalho de Callaghan et al. (2013) que utiliza o jogo como interface do experimento, sem que o usuário visualize diretamente o

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CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE 38 hardware que controla. Outra forma de integração é a utilização de elementos lúdicos no ambiente virtual de aprendizagem, como por exemplo é uso de bonificações por acertos e criação de um ranking por nota, como foi descrito no trabalho de Luthon e Larroque (2015).

Considerando a avaliação os artigos levantados não descrevem o uso de um modelo de avaliação e, em determinados casos, realizam apenas testes práticos sem dados qualitativos da experiência. Quando aplicam questionários, utilizam a escala Likert para a elaboração de perguntas. A escala Likert possibilita o usuário especificar seu nível de concordância sobre determinada afirmação. Para o levantamento estatístico são realizadas diversas afirmações sobre um mesmo assunto, como forma de neutralizar a subjetividade desta escala.

A proposta desenvolvida nesta pesquisa se difere dos trabalhos levantados pois busca o desenvolvimento de um jogo educacional que, em uma de suas fases, possibilite a manipulação de um experimento remoto. Além de que, nesta pesquisa, os conceitos físicos trabalhados foram organizados por fase.

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CAPÍTULO 4. MATERIAIS E MÉTODOS 39

Capítulo 4

Materiais e Métodos

Este capítulo apresenta a classificação desta pesquisa, quanto ao seu desenvolvimento e aplicação. Também são descritas as etapas da pesquisa e materiais utilizados para sua realização.

4.1 Classificação da pesquisa

Esta pesquisa, quanto a natureza pode ser classificada como sendo aplicada, visto que, busca "solucionar problemas específicos através de soluções práticas"(PRODANOV; FREITAS, 2013). Pesquisas desta natureza possuem uma aplicação imediata, de carácter circunstancial. Por ser uma pesquisa experimental, a utilização de seus métodos consiste na seleção de um objeto de estudo, definição das condições das variáveis que o influenciarão, quais formas de controle e como serão as metodologias de avaliação (GIL, 2002).

Sendo considerada um estudo de caso, os procedimentos realizados utilizaram de inúmeras técnicas, analisando diversos tipos de evidências (YIN, 2015). Isto é justificado pois os procedimentos técnicos utilizados pela pesquisadora são aplicados em um contexto real, descrevendo eventos determinados por um grupo de pessoas.

Quanto a abordagem do problema, pode ser classificada como qualitativa, pois realiza a obtenção de dados a partir da experiência dos participantes. O resultado portanto é obtido pelo intermédio da observação dos participantes, sendo analisado indutivamente (E. L. d. SILVA; MENEZES, 2001).

Considerando os objetivos desta pesquisa, pode ser classificada como exploratória, uma vez que a realização da coleta de dados se deu por meio de (a) buscas bibliográficas, (b)

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CAPÍTULO 4. MATERIAIS E MÉTODOS 40 levantamentos em artigos e revistas, e (c) entrevistas, solicitando o preenchimento de questionários pelos participantes (GIL, 2008). Para a análise dos dados foi introduzido um controle a situação, sendo dividido em um grupo de controle e outro experimental.

4.2 Etapas da pesquisa

Esta seção é organizada metodologicamente em três subseções principais, abrangendo as etapas relacionadas ao desenvolvimento desta pesquisa, sendo: “Concepção do Experimento Remoto”, “Concepção do Jogo Digital” e “Validação e Coleta de Dados”. Na primeira subseção será apresentado o experimento remoto utilizado, sua finalidade e funcionamento. A subseção seguinte traz informações sobre o desenvolvimento do jogo digital, que integra roteiro, design gráfico e mecanismos de funcionamento; além das atividades pedagógicas envolvidas. Por fim, a terceira subseção abrange as etapas e metodologias utilizadas para validação da pesquisa, coleta e tratamento dos dados.

Concepção do Experimento Remoto Concepção do Jogo Digital Coleta de Dados e Validação da pesquisa

Figura 4.1: Fluxograma das etapas de atividades Fonte: autora.

Pode-se visualizar na Figura 4.1 a esquematização das etapas realizadas. Nota-se que as atividades relacionadas a concepção do experimento e do jogo digital podem ocorrer de modo concomitante. A coleta de dados e validação da pesquisa são as únicas etapas que dependem do desenvolvimento do jogo digital para serem executadas.