UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E MATEMÁTICA APLICADA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO
Geração Procedural de Conteúdo para
Criação de Fases de Jogos Educativos
Wendell Oliveira de Araújo
Natal-RN Julho/2018
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Wendell Oliveira de Araújo
Geração Procedural de Conteúdo para Criação de
Fases de Jogos Educativos
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Computação do Departamento de Informática e Matemática Aplicada da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Sistemas e Computação.
Linha de Pesquisa: Engenharia de Software
Orientador(a)
Prof. Dr. Eduardo Henrique da Silva Aranha
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN Departamento de Informática e Matemática Aplicada – DIMAp
Natal-RN Julho/2018
Araújo, Wendell Oliveira de.
Geração procedural de conteúdo para criação de fases de jogos educativos / Wendell Oliveira de Araújo. - 2018.
105f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-graduação em Sistemas e Computação. Natal, 2018.
Orientador: Eduardo Henrique da Silva Aranha.
1. Engenharia de software - Dissertação. 2. Geração procedural de conteúdo Dissertação. 3. Jogos educativos -Dissertação. 4. Geração de fases - -Dissertação. I. Aranha, Eduardo Henrique da Silva. II. Título.
RN/UF/CCET CDU 004.41
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Ronaldo Xavier de Arruda - CCET
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Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado esta oportunidade de realizar este trabalho e me ajudado a concluir mais uma etapa da minha vida.
Muito agradecido aos meus pais, Joselito Araújo de Souza e Maria Margarida de Oliveira por todo o incentivo e apoio que eles passaram para mim em tudo que precisei, por terem me ensinado a não desistir e sempre seguir em frente.
A minha namorada Eliara Severiano da Silva por estar sempre me incentivando nas coisas a qual estou trabalhando, por toda a compreensão e companheirismo.
Eu gostaria de agradecer aos meus colegas de turma, por termos passados por várias situações juntos, sempre um ajudando o outro.
Um agradecimento em especial ao meu amigo, orientador e Professor Dr. Eduardo Aranha, por toda a orientação passada durante esta dissertação, por todas as sugestões passadas, pelos investimentos que você mesmo correu atrás para me ajudar, o qual meus amigos brincavam dizendo que você era meu pai, afinal são mais de 7 anos trabalhando juntos. Assim, sendo muito mais que um orientador, mas um companheiro e amigo. Te desejo um retorno tudo em dobro para ti.
Aos professores membros da banca de qualificação, Professor Dr. André Maurício e Professor Dr. Charles Madeira, por aceitar contribuir e avaliar este presente trabalho e aos ensinamentos que me passaram durante minha formação.
Aos professores membros da defesa de mestrado, Professora Dra.
Marcia Jacyntha Nunes Rodrigues Lucena e Professor Dr. Jacques Duílio Brancher, por aceitarem e contribuírem com a avaliação desta pesquisa.
“Quem diz que não pode ser feito nunca deve interromper aquele que está fazendo. ” Eiichiro Oda
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Geração Procedural de Conteúdo para Criação de
Fases de Jogos Educativos
Autor: Wendell Oliveira de Araújo Orientador(a): Prof. Dr. Eduardo Henrique da Silva Aranha
R
ESUMO
Jogos digitais educativos têm se mostrado uma grande área de pesquisa que vem aumentando com o decorrer dos anos em todo o cenário internacional. Esse fato tem se dado pelo potencial que os jogos têm de diversão, imersão e estímulo à aprendizagem de maneira natural e personalizada. Entretanto, um dos grandes desafios encontrados nessa área é o da criação de jogos que atendam a conteúdos específicos para serem ensinados ou praticados. Nesse sentido, a geração procedural de conteúdo tem se apresentado como uma área que pode auxiliar o desenvolvimento de jogos educativos. A geração procedural de conteúdo (PCG) trata da criação automática de conteúdos como texturas, sons, objetos e, no contexto deste trabalho a geração de fases. Assim, ela contribui para a criação de novas fases sem que haja a necessidade de intervenção humana. Nesse contexto, esta pesquisa busca fazer uso de uma técnica de PCG para a criação de fases de jogos educativos que requeiram do jogador atingir objetivos pedagógicos ao longo do jogo. Para isso, propomos uma abordagem de geração em três etapas: (i) geração da estrutura básica da fase (ex.: somente chãos e paredes); (ii) A geração de elementos relacionados aos objetivos pedagógicos da fase; (iii) complementação do restante da fase com inimigos e demais elementos de cenário. Deste modo, ela pode ser utilizada para criar diferentes desafios e cenários para que um aluno possa praticar determinado conteúdo, visto que sempre que um desafio é concluído, um novo desafio pode ser gerado para o aluno. A técnica escolhida para ser aplicada com a abordagem proposta foi a
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baseada em gramática. Buscou-se verificar se a técnica em conjunto com a abordagem proposta auxilia na geração das fases de jogos educativos, sendo realizada a implementação com dois jogos, os quais apresentaram resultados favoráveis a proposta. Um estudo de caso foi realizado, onde pode-se avaliar a qualidade das fases geradas com pedagogos e graduandos do curso de pedagogia, resultado em respostas positivas na aplicação dos jogos.
Palavras-chave: Geração Procedural de Conteúdo, Jogos Educativos, Geração de Fases.
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Procedural Content Generation for Creating Levels
of Educational Games
Author: Wendell Oliveira de Araujo Advisor: Prof. Dr. Eduardo Henrique da Silva Aranha
A
BSTRACT
Educational digital games have a large area of research that comes with the years throughout the international scene. This fact has been due to the potential that the games have of fun, immersion and stimulation to the learning of natural and personalized way. However, one of the major challenges in this area is the creation of games that meet specific content to be taught or practiced. In this sense, the procedural content generation has been presented as an area that can aid in the development of educational games. The procedural content generation (PCG) deals with the automatic creation of contents such as textures, sounds, objects and, in the context of this work, the level’s generation. Thus, it contributes to the creation of new levels without the need for human intervention. In this context, this research seeks to make use of PCG technique for the creation of phases of educational games that require the player to achieve certain pedagogical objectives throughout the game. For this, we propose a generation approach in three stages: (i) generation of the basic structure of the level (ex: only floors and walls); (ii) The generation of elements related to the pedagogical objectives of the level; (iii) complementing the rest of the stage with enemies and other scenario elements. In this way, it can be used to create different challenges and scenarios so that a student can practice certain content, since whenever a challenge is completed, a new challenge can be generated for the student. The PCG technique chosen to be applied with the proposed approach was
10 based on grammar. We tried to verify if the technique together with the proposed approach assists in the generation of the educational games phases, being carried out the implementation with two games, which presented favorable results to the proposal. A case study was carried out, where the quality of the phases generated with pedagogues and graduates of the pedagogy course can be evaluated, resulting in positive responses in the application of the games.
Keywords: Procedural Content Generation, Educational Games, Level’s Generation.
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Lista de figuras
Figura 1. Jogos que usam PCG. 26
Figura 2. Versão simplificada da gramática final para geração de nível. 29 Figura 3. Técnicas utilizadas para desenvolver jogos educacionais adap. 36 Figura 4. Nível de escolaridade a qual os jogos estão sendo destinados. 37
Figura 5. Disciplinas reportadas nos estudos. 38
Figura 6. Locais de publicações 46
Figura 7. Benefícios da PCG relatados por artigos. 48 Figura 8. Limitações da PCG relatados por artigos. 49 Figura 9. Gêneros de jogos utilizados nas pesquisas. 52
Figura 10. Tipos de conteúdo gerados. 53
Figura 11. Técnicas de PCG utilizadas nos artigos. 54 Figura 12. Comparação entre conteúdo gerado via PCG x Manual 55
Figura 13. Visão geral da abordagem proposta 59
Figura 14. Estrutura básica do cenário do jogo. 60
Figura 15. Cenário completo do jogo. 61
Figura 16. Exemplo de cenário com objetivo pedagógico. 63 Figura 17. Exemplo de cenários com elementos decorativos. 64
Figura 18. Cenário do jogo Bomberman. 66
Figura 19. Cenário do jogo BoxWorld, uma das versões do Sokoban. 66 Figura 20. Gramática para geração do Bomberman. 69 Figura 21. Gramática para geração da fase do Sokoban. 70 Figura 22. Gramática para geração do objetivo pedagógico. 70 Figura 23. Gramática para geração da fase com base no Bomberman. 72
Figura 24. Fases geradas pela gramática descrita. 73 Figura 25. Gramática para geração do cenário estilo Sokoban. 74 Figura 26. Cenários gerados pela gramática descrita. 74
Figura 27. Telas iniciais do programa. 78
Figura 28. Combinação de Bomberman + figuras geométricas. 78 Figura 29. Gráfico contribuição dos jogos para o aprendizado 80 Figura 30. Gráfico contribuição dos jogos X outras atividades 81 Figura 31. Gráfico - os jogos podem ser passados como atividade 82
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Lista de tabelas
Tabela 1. Critérios de Inclusão e Exclusão. 31
Tabela 2. Resultados da Avaliação de Qualidade. 35
Sumário
1 Introdução ... 17 1.1 Contexto ... 18 1.2 Problemática ... 20 1.3 Objetivos ... 20 1.4 Questões de pesquisa ... 21 1.5 Metodologia ... 21 1.6 Contribuições do trabalho ... 22 1.7 Organização do documento ... 23 2 Fundamentação ... 242.1 Geração procedural de conteúdo (PCG) ... 24
2.2 PCG baseada em gramática (grammar-based PCG) ... 27
2.2.1 Gramática ... 27
2.2.2 Aplicação de gramática em jogos ... 28
2.3 Considerações finais ... 29
3 Aplicação de Jogos Adaptativos na Educação: uma Revisão Sistemática da Literatura ... 30
3.1 Protocolo da revisão ... 30
3.1.1 Questões de pesquisas ... 30
3.1.2 Processo de busca, critérios de inclusão e exclusão ... 31
3.1.3 String de busca ... 32
3.1.4 Avaliação de qualidade ... 32
3.1.5 Procedimentos de distribuição dos artigos e de coleta de dados ... 33
3.2 Resultados ... 34
3.2.1 Avaliação da qualidade dos estudos reportados ... 34
3.2.2 Respostas às questões de pesquisa ... 35
3.2.3 Ameaças a validade da RSL ... 39
3.2.4 Trabalhos relacionados ... 40
3.3 Conclusões ... 40
3.4 Considerações finais ... 41
4 Geração Procedural de Conteúdo em Jogos: Uma Revisão Sistemática da Literatura ... 43
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4.1 Protocolo da revisão ... 43
4.1.1 Questões de pesquisas ... 43
4.1.2 Base de busca, critérios de inclusão e de exclusão ... 44
4.1.3 String de busca ... 44
4.1.4 Procedimentos de seleção e de coleta de dados dos artigos ... 44
4.2 Resultados ... 45
4.2.1 Visão geral das publicações na área ... 45
4.2.2 Respostas às questões de pesquisa ... 47
4.2.3 Ameaças a validade deste estudo ... 55
4.3 Trabalhos relacionados ... 55
4.4 Considerações finais ... 56
5 Geração de Fases em 3 Etapas ... 58
5.1 Requisitos ... 58
5.2 Abordagem proposta ... 58
5.2.1 Modelos de jogos de entretenimento ... 59
5.2.2 Estrutura pedagógica ... 61
5.2.3 Etapa 1 - Geração da estrutura do jogo ... 62
5.2.4 Etapa 2 - Geração dos componentes pedagógicos ... 62
5.2.5 Etapa 3 - Geração dos demais elementos ... 63
5.3 Planejamento da avaliação da proposta ... 65
5.3.1 Visão geral ... 65
5.3.2 Técnicas de PCG utilizada ... 65
5.3.3 Jogos digitais utilizados ... 65
5.3.4 Objetivos pedagógicos utilizados ... 67
6 Implementação da Abordagem de Geração de Fases Baseada em Gramática ... 68
6.1 Gramática produzida ... 68
6.2 Testando a gramática com o Bomberman ... 71
6.3 Testando a gramática com o Sokoban ... 74
6.4 Resultados ... 75
6.5 Considerações finais ... 76
7 Avaliação da Abordagem Implementada com Pedagogos e professores ... 77
7.1.1 Questões de pesquisas ... 77 7.1.2 Participantes ... 77 7.1.3 Objeto ... 78 7.1.4 Unidades de Análise ... 79 7.1.5 Coleta de Dados ... 79 7.1.6 Execução ... 79 7.1.7 Resultados ... 80 7.3 Considerações finais ... 82 8 Considerações finais ... 84 8.1 Trabalhos relacionados ... 84
8.2 Análise das questões de pesquisas ... 85
8.3 Trabalhos Futuros ... 86
Referências ... 88
Apêndice ... 93
Apêndice 1: Artigos incluídos na RSL do Capítulo 3. ... 93
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1 Introdução
É fácil observar a necessidade de pesquisas para auxiliar o processo de educação dos estudantes. Em uma análise feita pelo Programa de Avaliação Internacional de Estudantes (PISA) realizado em 2015 com aproximadamente 540 mil jovens, representando cerca de 29 milhões de jovens de 15 anos nas escolas de 72 países participantes. O Brasil ocupa a 63º posição entre os 72 países, em uma avaliação envolvendo ciência, leitura e matemática (OCDE, 2016). Assim, vemos que o Brasil enfrenta dificuldades no avanço da educação de sua população.
No cenário atual, pode ser observado que alunos consideram algumas matérias desmotivantes e que por isso não se empenham para aprendê-las, passando com dificuldades nas mesmas (MATTAR, 2010). Isto se dá em muito dos casos ao fato do rápido acesso e avanço da tecnologia com atividades mais interativas e divertidas para os alunos, levando assim o aluno ao desinteresse pelos métodos de ensinos tradicionais e metodologias pouco atrativas as novas tecnologias. Assim, por conta desse desinteresse, vários estudantes enfrentam reprovações ou avançam sem ter aprendido os conteúdos adequadamente (MADEIRA et al, 2015).
Nesse contexto, podemos observar trabalhos associando os jogos com a educação, chamados neste trabalho de forma geral como jogos educativos. O motivo disso se dá ao fato dos jogos possuírem um grande potencial para o aprendizado, principalmente por serem algo que atrai a atenção do estudante (BRAZIL e BARUQUE, 2015), procurando unir o ensino com a diversão. Os jogos têm ganhado mais espaço para serem utilizados nas escolas, sendo uma alternativa para os professores tornarem suas aulas mais divertidas e agradáveis para os alunos, e como um meio de trazer uma motivação maior para eles e estimulá-los a superar os desafios apresentados nos jogos (LARA, 2003).
Sendo assim, os jogos constituem uma ferramenta importante no processo de aprendizagem dos estudantes. Contudo, para serem efetivos, os
jogos precisam ter objetivos de ensino bem definidos, ensinar ou praticar conteúdos, ou promover o desenvolvimento de habilidades e estratégias para assim serem utilizados com fins educativos (SAVI E ULBRICHT, 2008).
Neste cenário, os jogos passam a ter um papel importante na educação. De acordo com (SAVI E ULBRICHT, 2008), os jogos digitais educacionais podem trazer diversos benefícios para os estudantes. Exemplos destes benefícios são: engajamento dos estudantes, facilitação do aprendizado, desenvolvimento de habilidades cognitivas, aprendizado por descoberta, experiência de novas identidades, socialização, coordenação motora. Além disso, à medida que um aluno se torna expert no jogo, ele aumenta suas chances em se tornar um expert (ou pelo menos um aluno interessado) no assunto abordado pelo mesmo.
1.1 Contexto
A indústria de desenvolvimento de jogos vem ganhando cada vez mais espaço, no qual inicialmente começavam em pequenos grupos de desenvolvedores até evoluir para um dos mercados mais movimentados atualmente. Apesar disso, a área de jogos ainda é um investimento de risco principalmente pelo alto número de desenvolvedores envolvidos e investimentos que giram em torno de milhões de dólares (GRAFT, 2010). O crescimento da área é tão alto que seu mercado chega a faturar mais do que os mercados de cinema e música juntos.
Muito se estima sobre o custo para o desenvolvimento de um jogo, pois a complexidade do jogo tem uma relação direta com o custo de produção do mesmo. A relação com o custo também se dá ao fato dos jogos envolverem diversos profissionais, como programadores, artistas, músicos, game designers, entre diversos outros. Contudo, algumas empresas conseguem reduzir um pouco os custos atribuindo mais de uma função para funcionários específicos e por meio de ferramentas de terceiros que auxiliam no desenvolvimento de gráficos, animações, física e demais componentes de um jogo (GREGORY, 2009). Entretanto, há uma carência de ferramentas que auxiliem o desenvolvimento de partes que exigem mais criatividade, como
19 criação de níveis, texturas, músicas, missões e comportamentos de personagens não jogáveis. Dessa forma, esse tipo de conteúdo muitas vezes deve ser produzido para cada projeto que é desenvolvido, deixando assim uma produção manual bastante custosa. (AMATO E MOSCATO, 2017).
O “sucesso” de um jogo tende a depender muitas vezes da diversão e o interesse que ele proporciona. Muitas pesquisas apontam que o entretenimento de um jogo depende muito do nível de desafio que é imposto pelo mesmo. Contudo, o aumento do número de usuários e o aparecimento de jogadores mais habilidosos que conseguem superar os desafios propostos com muita facilidade, tem feito que os desenvolvedores se preocupassem mais em criar desafios adequados para esses jogadores, visando que os mesmos não percam o interesse no jogo por não se sentir desafiado e ir buscar um novo desafio em outros jogos (BAUCKHAGE et al., 2012). Assim, sendo necessário à procura de algum meio que mantivesse um nível de desafio adequado para o jogador.
Em meio a essa complexidade e alto custo de desenvolvimento, uma alternativa é o uso de Geração Procedural de Conteúdo (PCG). A PCG se refere a criação de conteúdo realizada por meio de algoritmos (TOGELIUS et al., 2011). O uso das técnicas de PCG apresentam diversos benefícios como: agilidade na produção; redução dos custos; alto valor de rejogabilidade; alta variação no jogo proporcionando novas experiências aos usuários; adaptação automática da dificuldade do jogo de acordo com o jogador (KORN et al, 2017); redução do custo de memória (STEPHENSON E RENZ, 2016); e auxílio aos designers servindo como fonte de inspiração (MOGHADAM e RAFSANJANI, 2017).
Por isso, alguns projetos comerciais e de pesquisa na área de jogos digitais vem optando por utilizar alguma técnica de PCG, ou chegam até mesmo a desenvolver sua própria PCG para atender necessidades específicas do projeto. Até porque alguns estudos indicam que uma PCG bem produzida pode conseguir criar um conteúdo com uma qualidade tão boa quando um conteúdo feito manualmente (KORN et al., 2017).
1.2 Problemática
As pesquisas realizadas na área de PCG tem sido grande parte voltada para jogos de entretenimento e para a geração de fases que é um dos tipos de conteúdo onde é gasto muito tempo de produção, sendo utilizado não só para criar uma fase completa ou criar uma base para o designer trabalhar. Isso pode ser observado através de uma revisão sistemática realizada pelo próprio autor e descrita no Capítulo 4. Dentre os trabalhos analisados na revisão sistemática, muito tem se visto acerca de técnicas de PCGs para gêneros específicos de jogos, como os de plataforma, corrida, masmorra e aqueles envolvendo puzzles físicos. Assim, essas técnicas vêm sendo aplicadas em jogos já consagrados no mercado como Super Mario Bros (NINTENDO), Angry Birds (ROVIO). Contudo, pode ser observado que há uma imaturidade na área de jogos educacionais com o uso PCG, o qual não foram observados muitos trabalhos que fizessem o uso da mesma, apenas trabalhos iniciais (RODRIGUES, 2017) que fazem pouco uso do potencial da PCG. Assim, há uma grande carência de pesquisas envolvendo PCGs e jogos educativos, sistematizando sua aplicação considerando um aspecto adicional, o objetivo pedagógico.
1.3 Objetivos
No contexto de jogos educativos a PCG é uma tarefa ainda mais complicada, pois envolve geração de aspectos de entretenimento e de educação. Visando suportar essa atividade, o objetivo principal deste trabalho é propor uma abordagem para integrar componentes pedagógicos no processo de PCG para geração de fases de um jogo. Em outras palavras, viabilizar a criação de novas fases de um jogo envolvendo conteúdo educacional sem que haja a necessidade de uma grande equipe de desenvolvedores e de professores. A abordagem proposta é genérica, podendo ser aplicada a jogos e conteúdos pedagógicos diversos. A fim de chegar a esse objetivo geral, foram traçados alguns objetivos específicos:
● Analisar técnicas de PCG, componentes pedagógicos e pesquisas acadêmicas relacionadas.
21 ● Propor uma abordagem para aplicação de PCG a jogos digitais
educativos;
● Prototipar uma técnica de PCG e componentes de jogo com objetivos pedagógicos.
● Avaliar a proposta através da criação de jogos educacionais que façam o uso do mecanismo proposto.
● Avaliar a efetividade da abordagem proposta e da qualidade, das fases geradas.
1.4 Questões de pesquisa
Para guiar este trabalho, algumas Questões de Pesquisa (QP) foram criadas e são apresentadas a seguir.
● QP1: A abordagem facilita o processo da PCG tanto para o aspecto de diversão e como para o educacional?
● QP2: Essa proposta permite o reuso de jogos para trabalhar diferentes objetivos e componentes pedagógicos?
● QP3: Quais as vantagens e limitações da abordagem proposta, considerando a técnica de PCG utilizada?
1.5 Metodologia
Para se atingir os objetivos deste trabalho, algumas atividades foram planejadas. Em primeiro lugar, foi estudada a área de PCG, observando-se a literatura mais consolidada (livros, etc.), sendo o resultado apresentado no Capítulo 2. Em paralelo a isso, foi feita uma revisão sistemática da literatura sobre adaptabilidade em jogos digitais educativos (Capítulo 3). Essa revisão teve como objetivo levantar desafios que possam ser trabalhados durante o processo de PCG para jogos educativos, bem como identificar se PCG está sendo aplicado para a adaptabilidade de jogos educacionais.
Em seguida, foi realizada uma segunda revisão sistemática da literatura (RSL), visando principalmente identificar as técnicas de PCGs mais utilizadas na atualidade, conhecer seus benefícios, limitações, tipos de conteúdo gerados, gêneros mais utilizados e área de aplicação (Capítulo 4).
O resultado desta revisão guiou o processo de definição da abordagem proposta (Capítulo 5) e da escolha da técnica para se investigar ao longo deste trabalho.
Sendo assim, uma abordagem foi definida com a aplicação em 3 etapas de PCG, cada uma com um objetivo distinto: 1) estruturação básica do cenário; 2) geração dos elementos relacionados ao objetivo pedagógico a ser colocado no cenário; 3) geração de elementos complementares (obstáculos, inimigos, decoração, etc.) do cenário.
A abordagem proposta foi avaliada com o uso da geração procedural de conteúdo baseada em gramática (grammar-based PCG) (Capítulo 6). Essa avaliação consiste na aplicação da abordagem proposta e na técnica de PCG escolhida em jogo digitais educativos, analisar se a geração do conteúdo está sendo feita de maneira adequada com a geração de níveis para jogos educativos com diferentes componentes pedagógicos. Como parte destas avaliações, foi planejada a participação de professores, pedagogos e graduandos do curso de pedagogia atuantes na profissão para se testar o jogo desenvolvido com o mecanismo proposto (Capítulo 7).
1.6 Contribuições do trabalho
Através deste trabalho, acreditamos estar contribuindo com a comunidade científica e o estado da arte na área de atuação desta pesquisa nos seguintes aspectos:
● Apresentação de uma revisão do estado da arte em termos de PCG de forma geral, e de adaptabilidade de jogos digitais educativos;
● Proposição de uma abordagem que
○ Facilite a criação de jogos digitais educativos;
○ Auxilie no reuso de componentes educacionais entre diferentes jogos;
● Avaliação da abordagem proposta através da sua implementação em conjunto com a geração baseada em gramática;
23 Em termos de publicação de artigos científicos que apresentem os resultados do trabalho, o conteúdo do Capítulo 3 foi publicado como indicado a seguir, e os Capítulos de 4 a 7 estão em processo de submissão:
● ARAÚJO, W. O.; SILVA, T. R.; ARANHA, E. H. S. Aplicação de jogos adaptativos na educação: uma revisão sistemática da literatura. XXVII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação. 2016.
1.7 Organização do documento
O restante deste documento está organizado da seguinte forma, conforme explanado na seção de metodologia. O Capítulo 2 apresenta os conceitos básicos da área de PCG. Já o Capítulo 3 apresenta a revisão sistemática realizada sobre o uso de adaptabilidade em jogos digitais educativos. O Capítulo 4 por sua vez apresenta a revisão sistemática sobre o uso de PCG. Em seguida, a abordagem proposta é apresentada no Capítulo 5, bem como o planejamento de sua avaliação. Os Capítulos 6 e 7 apresentam a avaliação da proposta quando aplicada a técnica de PCG baseada em gramática. O Capítulo 7 apresenta um estudo realizado com educadores com intuito de verificar se os jogos produzidos podem ser utilizados como ferramenta pedagógica. As considerações finais sobre este trabalho são apresentadas no Capítulo 8.
2 Fundamentação
Este capítulo tem como objetivo apresentar os conceitos da PCG bem como sua utilização e aplicações existentes. Este conhecimento irá contribuir para o entendimento do trabalho apresentado nos demais capítulos deste documento. Este capítulo se organiza da seguinte forma. Na Seção 2.1, é apresentado o que é PCG e como a mesma é utilizada pela comunidade de jogos digitais. Em seguida, na Seção 2.2 é apresentada a PCG baseada em gramática e suas aplicações em jogos. Por fim, na Seção 2.3 as considerações finais.
2.1 Geração procedural de conteúdo (PCG)
De acordo com o (TOGELIUS et al., 2011), a definição de geração procedural de conteúdo (PCG) é a criação algorítmica de conteúdo do jogo com entrada de usuários limitada ou indireta. Em outras palavras, a PCG refere-se a um software de computador que pode criar conteúdo de jogo por conta própria ou em conjunto com seres humanos. O termo conteúdo pode se referir a várias partes de um jogo: níveis, mapas, regras de jogo, texturas, histórias, músicas, armas, veículos, personagens, etc.
Os termos geração e procedural servem para indicar que estão sendo utilizados algoritmos e procedimentos que criam algo. Portanto, é importante destacar que podemos ter um método PCG e um sistema PCG. O método PCG pode ser executada pelo computador com ou sem ajuda humana. Já um sistema PCG se refere a um sistema que incorpora um ou mais métodos PCG como uma de suas partes (SHAKER et al., 2016). Como exemplo, podemos ter um jogo adaptativo ou uma ferramenta de design que tem o auxílio de uma inteligência artificial, como a Sentient Sketchbook (LIAPIS et al., 2013). Dadas essas definições podemos considerar exemplos de PCG:
● Uma ferramenta de software que cria masmorras (dungeons) para um jogo como The Legend of Zelda sem qualquer entrada humana, cada vez que a ferramenta é executada, um novo nível é criado;
25 resposta ao que o coletivo de jogadores faz, de modo que as armas que um jogador é apresentado são versões evoluídas de armas que outros jogadores encontraram divertidos para usar;
● Uma ferramenta de design gráfico que permite que um usuário crie mapas para um jogo de estratégia, enquanto avalia continuamente o mapa projetado para suas propriedades de jogabilidade e sugere melhorias no mapa para torná-lo mais equilibrado e mais interessante; E o que não pode ser considerado como PCG:
● Um editor de mapas para um jogo de estratégia que simplesmente permite ao usuário colocar e remover itens.
● Um jogador artificial para um jogo de tabuleiro;
Na área acadêmica pesquisadores apresentam suas perspectivas e métodos para enfrentar os problemas que a PCG possui, como garantir que o conteúdo gerado é jogável, que muitos geradores são feitos para jogos específicos entre outros. Assim, resultando em uma série de novos métodos, variações e combinações de métodos já desenvolvidos, e muitos que ainda precisam de algumas pesquisas antes de serem aplicados a jogos reais.
O início do uso da PCG se deu por volta do ano de 1980, pois a capacidade de armazenamento das máquinas era limitada e os jogos tinham um espaço restrito para serem armazenados. Assim, Elite (BRABEN E BELL, 1984) e Rogue (TOY et al., 1980) foram um dos primeiros jogos a utilizarem PCG. Elite para gerar proceduralmente oito galáxias e cada uma delas com 256 planetas e todos com propriedades únicas e Rogue tinham seus níveis gerados aleatoriamente sempre que um novo jogo iniciava.
Com o passar dos anos os produtores de jogos comerciais também começaram a fazer uso da PCG em seus jogos como em Diablo (BLIZZARD, 1996) gerando mapas, colocação de itens e inimigos que surgem no jogo todos de maneira procedural. Outros exemplos como Spore (MAXIS, 2008) no qual o jogador cria novas criaturas e as animações do mesmo são criadas usando técnicas de animação procedural, Minecraft (PERSSON, 2009) sendo um dos mais populares por gerar um mundo inteiro e o conteúdo desse mundo. Spelunky (YU, 2008) que usa PCG para gerar automaticamente
variações dos níveis do jogo é também um jogo bastante utilizado em pesquisas na área de PCG.
Figura 1: Jogos que usam PCG. (1) Elite (2) Rogue (3) Diablo (4) Spore (5) Minecraft (6) Spelunky.
Entre as técnicas de PCG mais comuns temos a search-based PCG que é o uso de técnicas de computação evolutiva, algoritmos de busca/otimização estocástica e métodos similares para se buscar um conteúdo desejado. Um exemplo disto é visto no trabalho realizado por (STEPHENSON E RENZ, 2016). Para geração de fases de um jogo, podemos destacar os métodos de geração construtiva que busca um tipo de conteúdo específico que é a
27 geração de masmorras (dungeons) e fases, entre alguns podemos destacar o Cellular automata, space partitioning, grammar-based dungeon generation entre outros (SHAKER et al., 2016). Fractals, noises, agentes para geração de paisagens, terrenos e texturas através de métodos clássicos como o perlin-noise (KORN et al., 2017). Answer set programming (ASP) que segue uma abordagem para programação lógica similar a Prolog, sendo utilizado também em gerações de labirintos e fases, como pode ser visto no trabalho de (SMITH et al., 2016). Para o desenvolvimento deste trabalho, foi escolhido o método baseado em gramática, tendo como vantagem a possibilidade de se garantir pelas regras da gramática a construção de conteúdo (fases) jogáveis.
2.2 PCG baseada em gramática (grammar-based PCG)
Esta seção apresenta uma das principais técnicas de PCG e que é utilizada em algumas das avaliações deste trabalho, o PCG baseado em gramática.
2.2.1 Gramática
Uma gramática (formal) é um conjunto de regras de geração para reescrever strings, ou seja, transformar uma string em outra (SHAKER et al., 2016). Da mesma forma, (PRUSINKIEWICZ E LINDENMAYER, 1990) também afirma que as gramáticas envolvem uma técnica de reescrita, na qual objetos complexos (fases de um jogo, por exemplo) são gerados substituindo sucessivamente partes de um objeto inicial simples (estrutura geral da fase) usando um conjunto de regras ou produções de reescrita. Portanto, uma gramática consiste em um alfabeto contendo palavras ou símbolos e um conjunto de regras que determinam quais símbolos/palavras podem ser substituídos por outros. Como exemplo podemos considerar uma simples gramática:
A → AB B → b
Dada essa gramática pode ser gerada uma string maior a cada vez que a gramática aplicar a regra. Levando em consideração que iniciamos uma string com a letra A teríamos: A, AB, ABb, ABbb, ABbbb, etc. Dessa forma, a
medida que a regra da gramática vai sendo aplicada a string final é modificada. As gramáticas normalmente são utilizadas para estudar sintaxe, porém pode ser aplicada de diversas formas como na utilização para PCG.
2.2.2 Aplicação de gramática em jogos
Na geração de conteúdo para jogos, a gramática foi aplicada de diversas formas diferentes. Em (FONT et al., 2016), é apresentado um gerador de fases através de algoritmos evolutivos baseados em gramática. Ele apresenta um método em dois estágios para a criação da fase, respeitando as restrições do projeto. A ideia geral dos autores é gerar uma gramática e evoluí-la através de um algoritmo genético e, em um segundo passo, essas fases são expandidas para produzir mapas completos.
Outra aplicação de grammar-based PCG pode ser vista em (SMITH, TREANOR, et al., 2009). Este trabalho, usa PCG em jogos de plataforma baseados em ritmos (considere ritmo algo que o jogador sente com as mãos), sendo um exemplo de combinação de gramáticas. A primeira gramática é usada para gerar ritmos e a outra para gerar a geometria do cenário com base nos ritmos gerados.
Métodos baseados em gramáticas também foram usados na geração de níveis na competição Mario AI Competition, na qual os autores de (SHAKER, NICOLAU, et al., 2012) evoluíam os níveis jogáveis usando gramática evolutiva. Ela permite uma codificação simples das restrições da fase e descrições compactas para fases grandes. Um exemplo de uma versão simplificada do design de fases pode ser observado na Figura 2. No qual, ao iniciarmos um level, ele pode ser substituído por um chunks ou enemy, e consequentemente após as demais execuções substituir os chunk por uma platform ou uma coin, de acordo com o que o algoritmo for escolhendo.
29
Figura 2: Versão simplificada da gramática final para geração de nível para Super Mario Bros, visto no trabalho de (Shaker et al., 2012)
A gramática também pode ser utilizada para gerar diversos tipos de estruturas como grafos, tilemaps, formas em 2D ou em 3D. Assim, como abordado por (SHAKER et al., 2016), pode ser utilizada uma combinação de gramática de grafos para gerar missões e de tilemaps para gerar um nível de jogo.
2.3 Considerações finais
Este capítulo apresentou uma visão geral dos conceitos básicos e aplicações envolvendo jogos digitais e PCG, mostrando sua importância e grande potencial para a indústria de jogos digitais. Esta visão é complementada pelos dois próximos capítulos, que buscam na literatura pelo estado da arte da área.
3 Aplicação de Jogos Adaptativos na
Educação: uma Revisão Sistemática da
Literatura
Os jogos educacionais adaptativos surgem como uma ferramenta para ajudar a melhorar o aprendizado dos alunos. O objetivo desta Revisão sistemática da Literatura (RSL) é investigar como os jogos educacionais adaptativos estão sendo aplicados na área de educação, procurando descobrir abordagens e técnicas que estão sendo utilizadas, especialmente aquelas relacionadas a PCG, uma vez que essa combinação de técnicas tem grande potencial para personalização de aprendizado.
3.1 Protocolo da revisão
Esta RSL está estruturada com base nas diretrizes originais propostas por (KITCHENHAM, 2004). No caso desta revisão o objetivo foi o de analisar como os jogos adaptativos estão sendo aplicados na educação e quais técnicas principais estão sendo utilizadas para desenvolvê-los. Para esta RSL analisamos o cenário internacional entre os anos de 2011 a 2015, sendo incluídos artigos de 01 de janeiro de 2011 a 31 de dezembro de 2015.
3.1.1 Questões de pesquisas
Essa revisão visa responder às seguintes Questões de Pesquisa (QP), sendo elas:
● QP1: Quais abordagens estão sendo utilizadas para implementar a adaptabilidade dos jogos?
● QP2: Quais níveis de escolaridade estão sendo destinados esses jogos? ● QP3: Quais as áreas/disciplinas de conhecimento que estão sendo
trabalhadas nos jogos?
● QP4: Existe relação entre os jogos trabalhados e o conteúdo visto nas escolas?
31 aplicação dos jogos desenvolvidos?
3.1.2 Processo de busca, critérios de inclusão e exclusão
Considerando o objetivo da pesquisa envolvendo diversos domínios (educação, computação e jogos), selecionamos uma única ferramenta de busca que foi o Google Scholar. No contexto do artigo, a opção pela Google Scholar justifica-se porque os artigos publicados em revistas reconhecidas cientificamente são encontrados por este mecanismo de busca, mas também permite a busca de artigos publicados em outras fontes de pesquisas, como, repositórios digitais, por exemplo, IEEE e ACM e com isso tornam-se possível a busca em diversos meios e domínios de publicação on-line.
Uma abordagem em três etapas foi utilizada no processo de busca dos estudos. Na primeira etapa, todos os estudos primários recuperados foram avaliados a fim de se identificar aqueles relevantes para responder às questões de pesquisa. Um total de 634 estudos foram analisados. Após a leitura dos títulos, resumos e palavras chaves, este conjunto inicial foi reduzido para 23. Durante esta triagem inicial, foram aplicados os Critérios de Inclusão (CI) e Critérios de Exclusão (CE) vistos na Tabela 1.
Tabela 1: Critérios de Inclusão e exclusão.
Critérios de Inclusão Critérios de Exclusão CI1: Artigos completos que abordam
uso de jogos educacionais adaptativos;
CI2: Relatar a implementação ou a
aplicação de algum estudo empírico ou técnica para o desenvolvimento da aplicação; e
CI4: Publicações entre 2011 a 2015.
CE1: Ser um jogo adaptativo,
porém, não educativo;
CE2: Documentos que estão disponíveis na forma de resumos ou apresentações e estudos secundários (ou seja, revisões sistemáticas da literatura e mapeamentos sistemáticos);
CE3: Publicações foram excluídas se
eles não são escritos em Inglês; e
CE4: Artigos derivados da mesma
pesquisa (estudos duplicados).
Em uma segunda etapa, procedeu-se à leitura dos resumos e conclusão e novamente à aplicação dos CI e CE nos 23 artigos candidatos e
o resultado foi um subconjunto de 18 estudos primários. É importante ressaltar que, em alguns casos, a leitura de outras partes dos artigos foi realizada para se proceder à seleção. Com esses 18 artigos, foi feita uma análise mais profunda nos artigos e 5 artigos foram retirados por não se adequarem ao contexto da pesquisa, ficando assim 13 artigos para serem discutidos neste trabalho. Na terceira etapa, os 13 estudos que compõe a seleção final foram lidos na íntegra. As referências bibliográficas destes artigos podem ser visualizadas em: <goo.gl/6nsjQv> ou no Apêndice 1.
3.1.3 String de busca
String de busca é uma sequência de caracteres, com os termos principais, derivados das questões de pesquisa (KITCHENHAM, 2004). A string foi construída usando os operadores lógicos AND e OR, como mostrado a seguir:
(“adaptive game” AND (education OR learning))
Várias buscas foram executadas separadamente antes de se chegar a essa String, utilizando tanto buscas com todos os termos, quanto buscas mais amplas usando somente partes do termo da busca. Durante a busca encontramos artigos enquadrados nos termos, contudo, sem relação com a pesquisa. Por exemplo, sobre jogos adaptativos, mas sem o foco educacional. De fato, foram analisadas todas as 64 páginas dos resultados do Google Scholar.
3.1.4 Avaliação de qualidade
Definir e avaliar a qualidade pretendida para os estudos primários está além dos critérios de inclusão e exclusão (KITCHENHAM, 2004). Os critérios de qualidade ajudam a classificar detalhes após a inclusão, a orientar recomendações futuras e a interpretar melhor os resultados da pesquisa.
Este processo de Avaliação da Qualidade (AQ) foi realizado durante a fase de extração de dados e garantiu que estudos incluídos tivessem uma contribuição relevante para a RSL. Os critérios de AQ utilizados neste estudo são discutidos por (DYBA E DINGSOYR, 2008). Os sete critérios utilizados foram:
33 ● AQ2: Existe uma descrição adequada do contexto que a pesquisa foi
realizada?
● AQ3: O planejamento da pesquisa foi adequado para abordar os objetivos da pesquisa?
● AQ4: A estratégia de extração dos dados foi adequada aos objetivos da pesquisa?
● AQ5: A análise dos dados foi suficientemente rigorosa?
● AQ6: Será que a relação entre pesquisador e participantes foi considerada em um grau adequado?
● AQ7: Existe uma indicação clara dos resultados?
Os dois primeiros critérios foram utilizados para excluir estudos que não indicam claramente os objetivos da pesquisa. Isto representa o limiar mínimo de qualidade que foi observada durante esta RSL. Os critérios restantes visam determinar o rigor, análise e credibilidade dos métodos de pesquisa empregados, bem como a relevância e a qualidade de cada estudo para esta revisão. As respostas para cada questão foram tabuladas e atribuídas um valor de 1 (“Sim”) ou 0 (“Não”). A fim de testar a validade do procedimento de avaliação de qualidade, esta foi avaliada por dois revisores distintos. Não houveram discordâncias dos revisores em termos de avaliação da qualidade desses trabalhos.
3.1.5 Procedimentos de distribuição dos artigos e de coleta de
dados
A partir da lista de publicações identificadas, os artigos foram atribuídos de forma aleatória pelo pesquisador doutor R3 para outros dois pesquisadores alunos de pós-graduação (R1 e R2). Cada pesquisador avaliou individualmente seus artigos e os resultados de R1 e R2 foram integrados por R3 na tabela de Concordância/Discordância. Por fim, R3 julgou e resolveu as discordâncias na tabela, numa lista final de estudos avaliados. Os pesquisadores R1 e R2 analisaram artigos distintos, ou seja, cada artigo foi lido por apenas um revisor.
Foram extraídos os seguintes dados sobre os estudos selecionados: título, evento/periódico, ano, autores, objetivos do estudo; como os dados
foram coletados e analisados durante o estudo; escolaridade a qual a pesquisa foi aplicada (por exemplo, Ensino Médio ou Superior); disciplina e curso onde a pesquisa foi aplicada; os resultados, conclusões e dificuldades encontradas; e a avaliação de qualidade do estudo. Todos os dados foram extraídos pelos revisores, de forma independente. Estes resultados foram então comparados. Como não existiram diferenças significativas entre os resultados, a estratégia de extração de dados foi considerada apropriada. Todos os dados extraídos foram consolidados em uma planilha.
3.2 Resultados
Esta seção detalha os resultados do estudo. Assim, na Seção 3.2.1 será apresentada a avaliação da qualidade dos estudos primários. A Seção 3.2.2 por sua vez apresenta as respostas às questões de pesquisa. Na seção seguinte, são reportadas as limitações e ameaças do estudo e, finalmente, na Subseção 3.2.4, os trabalhos relacionados.
3.2.1 Avaliação da qualidade dos estudos reportados
Os resultados desta avaliação da qualidade são apresentados na Tabela 2. Todos os artigos incluídos na revisão tiveram seus objetivos claramente definidos (QA1) e ofereceram alguma descrição do contexto em que a pesquisa foi realizada (QA2). Ainda, todos eles foram considerados como tendo um projeto de pesquisa apropriado (QA3).
A Tabela 2 apresenta a pontuação dos artigos nos critérios de qualidade. Ela mostra que os estudos incluídos tinham uma estratégia de extração adequada ao contexto da pesquisa (QA4), e que a análise dos dados foi considera suficientemente rigorosa em 10 dos artigos analisados (QA5). Já a relação entre o pesquisador e os participantes foi considerada adequada em nove estudos (QA6), e todos os estudos apresentaram uma indicação clara dos resultados (QA7). No final da avaliação, pudemos observar que nove estudos obtiveram a pontuação máxima de oito pontos [E1, E2, E3, E5, E6, E8, E9, E10 e E13]. Já a pontuação mais baixa que os artigos alcançaram foi de cinco pontos [E4, E7 e E12]. Finalmente, a pontuação média em qualidade dos trabalhos incluídos na revisão foi de 7,2.
35
Tabela 2: Resultados da avaliação de qualidade.
Estudos AQ1 AQ2 AQ3 AQ4 AQ5 AQ6 AQ7 Total E1 1 1 1 1 1 1 1 8 E2 1 1 1 1 1 1 1 8 E3 1 1 1 1 1 1 1 8 E4 1 1 1 0 0 0 1 5 E5 1 1 1 1 1 1 1 8 E6 1 1 1 1 1 1 1 8 E7 1 1 1 0 0 0 1 5 E8 1 1 1 1 1 1 1 8 E9 1 1 1 1 1 1 1 8 E10 1 1 1 1 1 1 1 8 E11 1 1 1 0 1 0 1 6 E12 1 1 1 0 0 0 1 5 E13 1 1 1 1 1 1 1 8 Total 13 13 13 9 10 9 13 /
3.2.2 Respostas às questões de pesquisa
Nesta subseção, apresentam-se as respostas às questões de pesquisa desta RSL. Um resumo das informações que foram extraídos de cada estudo incluído pode ser encontrado em: <goo.gl/vyd6yA>.
QP1: Quais abordagens estão sendo utilizadas para implementar a adaptabilidade dos jogos?
Ao analisar os estudos selecionados, nota-se que as abordagens utilizadas para a adaptação dos jogos são variadas. Dos trabalhos selecionados, três trabalhos faziam o uso de métodos ou estilos de aprendizagem, formas de como o aprendizado pode ser realizado. Um utilizou a técnica de Scaffolding [E1]. Outro utilizou Aprendizagem Espaçada, a qual separam momentos de aprendizado intensivo e “diversão” em blocos de tempo para o mesmo ir aprendendo e se divertindo [E2]. Já no estudo [E9], o jogo detectava o estilo de aprendizagem do jogador e aplicava a mudança no jogo para se adequar a
ele.
Outros três trabalhos [E4, E5 e E11] utilizaram técnicas de Inteligência Artificial para criar jogos adaptativos. Em [E5], os autores abordam o Aprendizado por Reforço, Redes Neurais e Algoritmo Genético para a adaptação do jogo. Já [E11] faz uso de Redes Neurais e [E4] aborda o uso de técnicas de Aprendizado de Máquina.
Uma técnica também destacada pelos trabalhos [E3, E6 e E7] é o uso de Computação Afetiva, o qual tenta adaptar as condições do jogo e níveis de dificuldade baseadas no reconhecimento da emoção do jogador e encontrando maneiras de deixá-lo mais motivado. Alguns trabalhos também fizeram o uso de Modelagem do Jogador ou usuário para adaptar o jogo, fazendo uma coleta de dados do jogador à medida que ele jogava ou através de questionários ou capturando informações de outros lugares para adequar o jogo ao jogador [E8, E10 e E12]. Já [E13] informa que dois tipos de adaptabilidades foram implementados no jogo. A micro adaptabilidade, para fornecer um incentivo motivacional e dicas através de um personagem não jogável, e a macro adaptabilidade, alterando o ritmo da história do jogo. A Figura 3 apresenta um resumo das técnicas utilizadas nos estudos.
Figura 3: Técnicas utilizadas para desenvolver jogos educacionais adaptativos.
37
QP2: Quais níveis de escolaridade estão sendo destinados esses jogos?
Os artigos foram classificados de acordo com o nível de escolaridade para os quais as pesquisas se destinaram. Observado a Figura 4 é possível perceber que os jogos estão sendo destinado em sua maioria para o Ensino Fundamental II (do 6º ao 9º ano), correspondendo a 39% [E1, E4, E5, E6 e E13]. Em contraste, 23% tem foco no Ensino Fundamental I (do 1º ao 5º ano) [E3, E8 e E10] e 23% das pesquisas se destinam ao Ensino Superior [E2, E7 e E9]. Destes, 15% [E11 e E12] não informaram para quais níveis estavam sendo destinadas os estudos.
Figura 4: Nível de escolaridade a qual os jogos estão sendo destinados. QP3: Quais as áreas/disciplinas de conhecimento que estão sendo trabalhadas nos jogos?
Houve uma variação nos conteúdos ao quais os jogos estavam sendo desenvolvidos. Dois jogos foram desenvolvidos para Matemática [E8 e E10], um para ensino de Banco de Dados [E9], outro para Gestão de Projetos [E7], outro para Microbiologia [E6], um para Resolução de Conflitos [E5], um para Espanhol [E1], um para o ensino de Chinês [E3], um para Geografia [E13] e outro para Medicina [E2]. No entanto, três estudos [E4, E11 e E12] não
citaram ou apresentaram uma disciplina específica a ser utilizada. A Figura 5 ilustra essa distribuição.
Figura 5: Disciplinas reportadas nos estudos.
QP4: Existe relação entre os jogos trabalhados e o conteúdo visto nas escolas?
Como os jogos estão sendo desenvolvidos para o âmbito educacional, é necessário saber se o conteúdo do jogo possuía relação com os conteúdos vistos em salas de aulas. Os estudos [E1, E2, E3, E6, E8, E9, E10 e E13] abordavam jogos com conteúdo vistos em sala de aula. Os trabalhos [E11 e E12] não descreveram se tinham relação com o conteúdo da sala de aula. O trabalho [E5] não abordava o conteúdo da sala de aula, pois ele trabalhava com resolução de conflitos. Os demais trabalhos não apresentaram relação entre o propósito do jogo e conteúdo visto em sala.
QP5: Quais os benefícios e limitações que estão sendo relatados pela aplicação dos jogos desenvolvidos?
39 podem trazer. Com a análise dos estudos, todos os trabalhos relataram benefícios no uso de jogos, dos quais oito deles [E3, E4, E6, E7, E8, E9, E10 e E13] apontaram como o principal benefício no uso dos jogos a motivação gerada, pois os alunos ficaram mais interessados em participar desse tipo de atividade.
Os trabalhos [E8 e E10] também apontam que os jogos são uma ótima maneira de testar os alunos, realizando a coleta de seus dados à medida que ele vai jogando. Além disso, os trabalhos [E1, E2, E5, E6 e E9] também destacaram que o aprendizado dos alunos foi mais eficiente utilizando os jogos adaptativos do que através de meios tradicionais ou jogos não adaptativos. Apenas [E13] relatou uma limitação na aplicação do jogo, pois quando a competência do jogador era maior do que o desafio proposto pelo jogo, eles achavam uma resolução trivial e “chata”, relatando que o jogo não adaptou adequadamente para esse jogador. Os demais estudos não apresentaram as limitações.
3.2.3 Ameaças a validade da RSL
No geral, as principais ameaças à validade da RSL são em relação ao viés de seleção de publicações e aos dados imprecisos extraídos. As pesquisas foram concebidas empregando principalmente recursos eletrônicos. Estes foram pesquisados após a implementação de pesquisas experimentais, strings de busca e utilização de dicionários de sinônimos. Apesar disso, não é possível garantir que todos os estudos relevantes foram coletados e há um pequeno risco de que alguns estudos podem ter sido omitidos, devido aos termos de busca utilizados.
O processo de extração de dados também pode resultar em dados irrelevantes. Isto pode ocorre, porque o processo de extração de dados foi realizado somente por dois pesquisadores. O desenvolvimento de um protocolo da RSL e o uso de uma estratégia de verificação da qualidade da revisão (por um terceiro revisor) ajuda a garantir que este não foi o caso. Finalmente, é possível que os critérios de inclusão possam, ocasionalmente, terem excluídos alguns estudos relevantes. Isso pode ocorrer porque os critérios implementados nos estudos não continham palavras-chaves
apresentadas nos títulos ou nos resumos. Esse risco foi minimizado através da não remoção dos artigos que gerassem dúvidas.
3.2.4 Trabalhos relacionados
(PIETRUCHINSKI et al., 2011) desenvolveram e publicaram um estudo sobre os jogos educativos no contexto do Simpósio Brasileiro de Informática na Educação (SBIE). Para tal, utilizaram uma metodologia de RSL visando extrair, catalogar, analisar e sintetizar dados de todos os artigos publicados em 10 edições (2001-2010) do SBIE. (SILVA, ARANHA e MEDEIROS, 2014) apresentam os resultados de uma RSL de jogos digitais para ensino de programação. Nessas duas pesquisas não foram encontrados e nem reportados o uso de jogos adaptativos.
Em contrapartida, (FERREIRA E ISHITANI, 2015) em sua RSL sobre jogos digitais para idosos relata vários jogos, sendo um deles adaptativo. Da mesma forma, outra pesquisa mapeou um cenário mais específico dentro da temática deste trabalho. (PITUBA E NAKAMURA, 2014) apresentou uma RSL para avaliar as estratégias de adaptação de jogos adaptativos. Esses encontraram um total de 12 projetos em 16 estudos, onde 8 foram testados apesar de alguns não mostrarem grandes detalhes dos testes. Outro trabalho é focado em dois grandes projetos com adaptação. Este estudo desenvolveu um processo similar ao apresentado por (PITUBA E NAKAMURA, 2014), aplicando a técnica de pesquisa secundária (a RSL) para realizar uma análise abrangente e sistemática da pesquisa em jogos adaptativos com o foco educacional.
3.3 Conclusões
Este estudo teve como objetivo aplicar o método da RSL para determinar e qualificar os estudos existentes sobre jogos educacionais adaptativos nos últimos cincos anos em um cenário internacional. Foram encontrados inicialmente 634 artigos e após a análise dos mesmos, 13 foram incluídos para extração dos dados. Os jogos educacionais adaptativos são desenvolvidos com o propósito de melhorar o rendimento dos alunos, aumentar o interesse dos alunos em jogá-los. Segundo os resultados da RSL,
41 o uso desses jogos aumentou o interesse dos alunos em participar desse tipo de atividade e que o aprendizado dos alunos foi mais eficiente que os meios tradicionais.
Cinco questões de pesquisa foram criadas com o objetivo de verificar o quão efetivo e o uso dos jogos educacionais adaptativos e que técnicas estão sendo utilizadas para desenvolvê-los. Vários resultados puderam ser extraídos dos dados recolhidos dos estudos. Com eles, pudemos observar que (i) a computação afetiva e a modelagem do jogador são as abordagens que foram mais frequentemente usadas nas pesquisas; (ii) os jogos estão sendo mais aplicado no ensino fundamental II e nos estudos não foram encontradas aplicações no ensino médio; (iii) não há um foco específico em uma disciplina específica para desenvolver esses jogos, pois encontramos jogo trabalhando diferentes disciplinas.
Os resultados tabulados e discutidos permitiram concluir que o método da RSL identificou a carência de publicações sobre jogos educacionais adaptativos e permitiu selecionar e qualificar estudos que ajudaram a responder parcialmente as questões de pesquisa. Podemos reportar que não foram encontrados artigos sobre jogos adaptativos para o público do ensino médio. Os resultados demonstram também que a área de jogos educacionais adaptativos tem muito potencial para evoluir e, pelos relatos encontrados, eles possuem efetividade em seu propósito de motivar e melhorar o aprendizado dos alunos, fato este relatado em todos os estudos analisados.
3.4 Considerações finais
Em termos desta pesquisa, esta revisão teve o objetivo de trazer a conhecimento a adaptação de conteúdo dos jogos, como elas estão sendo aplicadas no desenvolvimento dos jogos educativos e gerando os conteúdos para os estudantes. Conforme o resultado da revisão é visto que a área tem bastante espaço para pesquisa, pois poucos foram os trabalhos encontrados sobre o assunto, sendo assim um incentivo para a pesquisa de PCG para jogos educativos.
busca pelo estado da arte em PCG, complementando este capítulo, uma vez que apresenta resultados de PCG para jogos em geral, ao invés de apenas analisar a área de jogos voltados para educação.
43
4 Geração Procedural de Conteúdo em
Jogos: Uma Revisão Sistemática da
Literatura
A geração procedural de conteúdo (PCG) em jogos pode ser utilizada de diversas maneiras para produzir diversos tipos de conteúdo. O objetivo desta RSL é encontrar as diversas possibilidades de pesquisas que podem ser aplicadas fazendo o uso da PCG, e quais tipos de técnicas e aplicações estão sendo empregadas esse tipo de conteúdo. Os resultados desta revisão poderão ser vistos nas próximas seções.
4.1 Protocolo da revisão
Esta RSL está estruturada com base nas diretrizes originais propostas por (KITCHENHAM, 2004). No caso desta revisão o objetivo foi buscar as diversas pesquisas da área da PCG tal como técnicas utilizadas e tipos de conteúdo que são gerados com as mesmas. Para esta RSL analisamos o cenário internacional entre os anos de 2011 a 2017, sendo incluídos artigos de 01 de janeiro de 2011 a 31 de dezembro de 2017.
4.1.1 Questões de pesquisas
Essa revisão visa responder às seguintes Questões de Pesquisa (QP), sendo elas:
● QP1: Quais os benefícios do uso da PCG e quais as limitações/desafios do uso da PCG?
● QP2: Em casos de adaptabilidade, que tipo de conteúdo foi adaptado e de que forma?
● QP3: Quais os gêneros de jogos estão sendo aplicados e qual o tipo de conteúdo que é gerado?
● QP4: Quais técnicas foram utilizadas para a PCG?
● QP5: Qual a qualidade do conteúdo gerado em comparação ao manual? É mais eficiente?
4.1.2 Base de busca, critérios de inclusão e de exclusão
Considerando o objetivo da pesquisa, definiu-se a Scopus como ferramenta de busca a ser utilizada. No contexto desta RSL, a opção pela Scopus justifica-se porque os principais eventos (ACM, IEEE, etc.) e jornais relacionados ao tema são indexados por este mecanismo de busca.
Para suportar esta triagem inicial, foram definidos os Critérios de Inclusão (CI) e Critérios de Exclusão (CE) vistos na Tabela 3.
Tabela 3: Critérios de Inclusão e Exclusão.
Critérios de Inclusão Critérios de Exclusão CI1: Ter relação com PCG e jogos
digitais;
CI2: Possuir mais de 4 páginas; CI3: Disponível para download; CI4: Publicado entre 2011 a 2017.
CE1: Trabalhos na forma de
resumos, apresentações ou estudos secundários (ou seja, surveys, revisões sistemáticas da literatura e mapeamentos sistemáticos);
CE2: Não estar escrito em Inglês.
4.1.3 String de busca
Uma String de busca é uma sequência de caracteres com os termos principais derivados das questões de pesquisa (KITCHENHAM, 2004). A seguinte string para ser utilizada no engenho de busca da Scopus construída usando termos relacionados a jogos e a geração de conteúdo ou de fases:
games AND (“content generat*” OR “generat* of content” OR “generat* of levels” OR “level generat*” OR “level creat*” OR “creat* of levels”) O caractere * foi usado para encontrar palavras derivadas. A String de busca é aplicada na Scopus usando as restrições do período de publicação (2011 a 2017), tipo de publicação (artigo de jornal ou de conferência) e busca no título, resumo e palavras-chave.
4.1.4 Procedimentos de seleção e de coleta de dados dos artigos
A partir da lista de publicações retornadas pela aplicação da String de busca definida, todos os títulos, resumos e palavras-chaves são lidos para aplicação dos critérios de inclusão e de exclusão. A leitura de partes do artigo pode ser realizada, caso haja alguma dúvida na aplicação dos
45 critérios. Os artigos resultantes são então lidos em sua totalidade.
Os seguintes dados são extraídos para cada um dos estudos selecionados: título, evento/periódico, ano, e informações que auxiliem a responder às questões de pesquisas. Todos os dados foram extraídos pelo autor e os dados extraídos foram consolidados em uma planilha.
4.2 Resultados
No processo de busca dos estudos, todos os estudos encontrados pela ferramenta de busca foram analisados (em diferentes níveis de detalhes) a fim de se identificar aqueles relevantes para responder às questões de pesquisa deste trabalho. Um total de 390 estudos foram analisados. Após a fase de leitura dos títulos, resumos e palavras chaves, este conjunto inicial foi reduzido para 120. É importante ressaltar que, em alguns casos, a leitura de outras partes dos artigos foi realizada para se proceder a essa filtragem inicial de artigos, reduzindo bastante o risco de se descartar algum artigo relevante.
Durante a busca, foram aplicados os critérios de inclusão e exclusão, sendo alguns artigos removidos por possuir menos de 5 páginas ou serem surveys sobre o tema. As referências bibliográficas dos artigos selecionados para responder as questões de pesquisa podem ser visualizadas no Apêndice 2.
Esta seção detalha os resultados deste estudo. Assim, na Seção 4.2.1 apresenta uma análise geral dos trabalhos selecionados dos principais eventos. Na Seção 4.2.2 são dadas respostas às questões de pesquisa. Em seguida, na Seção 4.2.3, são reportadas as limitações e ameaças do estudo.
4.2.1 Visão geral das publicações na área
Conforme a Figura 6, os eventos que mais recebem publicações sobre PCG são a CIG (Conference on Computational Intelligence in Games), a TCIAIG (Transactions on Computational Intelligence and AI in Games) e a AIIDE (Artificial Intelligence and Interactive Digital Entertainment). A CIG e a TCIAIG tratam especificamente sobre inteligência artificial para jogos. Já a AIIDE tem foco no entretenimento digital. Além disso, conforme pode ser visto na
Figura 6, a maior parte dos locais de publicação tratam de computação evolutiva. Isto se explica porque, como será visto mais adiante, a computação evolutiva é utilizada em grande parte das pesquisas de PCG.
47
4.2.2 Respostas às questões de pesquisa
Nesta subseção, apresentam-se as respostas às questões de pesquisa desta RSL.
QP1: Quais os benefícios do uso da PCG e quais as limitações/desafios do uso da PCG?
Conforme pode ser observado na Figura 7 e segundos os trabalhos lidos, vários são os benefícios pelo uso da PCG. Dentre eles, o que mais é citado é a redução de custo e tempo de produção do jogo, visto que o computador geraria todo o conteúdo de maneira rápida e automática. Por consequência, a facilidade da PCG gerar novos conteúdo aumenta o fator de replay do jogo (fazer o usuário voltar ao jogo). Atualmente, com computadores mais potentes, não existe uma limitação grande de memória, o qual nos anos 80 era um dos principais pontos de entraves da PCG.
Com a utilização da PCG, os jogadores podem passar por novas experiências sempre que retornar ao jogo já que o conteúdo é gerado proceduralmente. Por fim, por ser tratada de maneira algorítmica, as técnicas de PCGs facilitam a produção de um conteúdo adaptado para os jogadores. Nesse caso, alterando o nível de dificuldade do jogo ou o comportamento de NPCs (non-players characters), dependendo de como o desenvolvedor quiser que ocorra a adaptação. Todos os benefícios citados pelos artigos podem ser vistos na Figura 7, com sua respectiva frequência de citação.
Figura 7: Benefícios da PCG relatados por artigos.
Quanto às limitações da PCG, poucos trabalhos fazem referência a isso. Contudo, das limitações citadas, a que mais se destaca é o fato de que os conteúdos gerados são na maioria dos casos desenvolvidos para uma parte específica do jogo, como exemplo um gerador somente para fases. Outra dificuldade encontrada é a de se conseguir ter o controle do conteúdo que é criado para garantir que o mesmo sempre tenha solução ou utilidade dentro do jogo. De maneira similar, também é difícil avaliar a qualidade do conteúdo gerado pelo algoritmo, já que são necessários estudos mais elaborados com usuários e por os interesses variarem de jogador para jogador. Assim, a visão completa das limitações com suas frequências de citações pode ser observada na Figura 8.
