176 REnCiMa, v. 11, n.3, p. 176-198, 2020 doi.org/10.26843/rencima eISSN: 2179-426X
DESENVOLVIMENTO DE HABILIDADES DIGITAIS NA ESCOLA POR
MEIO DA INTEGRAÇÃO DE JOGOS DIGITAIS, PROGRAMAÇÃO E
ROBÓTICA EDUCACIONAL VIRTUAL
DEVELOPMENT OF DIGITAL SKILLS AT SCHOOL BY INTEGRATING DIGITAL GAMES, PROGRAMMING AND VIRTUAL EDUCATIONAL ROBOTICS
Andreia Carniello
Instituto Federal do Paraná campus Londrina, andreia.carniello@ifpr.edu.br http://orcid.org/0000-0001-7640-6611
Marcelo Zanotello
Universidade Federal do ABC (UFABC)/ Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH), marcelo.zanotello@ufabc.edu.br
http://orcid.org/0000-0003-2661-8637
Resumo
Inseridas em uma sociedade em transformação, marcada por avanços tecnológicos impactantes nas diversas esferas de relações humanas, as instituições educacionais são pressionadas a um duplo desafio: propiciar uma formação que possibilite às pessoas uma atuação como cidadãos criativos, críticos e agentes de transformações sociais e, ao mesmo tempo, prepará-las para que se adaptem ao mundo do trabalho desenvolvendo certos conhecimentos e habilidades. A partir desta perspectiva problemática, no presente artigo, apresentamos algumas reflexões baseadas em uma revisão de literatura sobre aspectos do denominado pensamento computacional, suas relações com as áreas STEAM e a Educação Científica. Enfatizamos uma possível integração entre robótica educacional, jogos digitais e programação, elementos presentes na plataforma CoSpace Rescue, um jogo de robôs virtuais, como alternativa para promover certas habilidades do pensamento computacional em alunos da Educação Básica, contribuindo para suas formações em ciências naturais e matemática. Com isso, busca-se uma adequação dos processos de ensino e aprendizagem aos anseios formativos em uma sociedade caracterizada por ciclos de mudanças científicas, tecnológicas e industriais em relação de mútuas influências.
Palavras-chave: Pensamento computacional, educação científica, robótica educacional
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Educational institutions, inserted in a changing society marked by striking technological advances in the various spheres of human relations, are pressured to a double challenge: training people to act as creative citizens, critics and agents of social change and, at the same time, preparing them to adapt to the workplace by developing certain knowledge and skills. From this problematic perspective, in this paper we present some reflections based on a literature review on aspects of the so called computational thinking, its relations with STEAM areas and Scientific Education. We emphasize a possible integration between educational robotics, digital games and programming, which are elements present in the platform CoSpace Rescue - a game of virtual robots - as an alternative to promote certain computational thinking skills in students of Basic Education, contributing to their training in natural sciences and mathematics. Thereby, we are longing for an adaptation of the teaching and learning processes to the formative longings in a society characterized by cycles of scientific, technological and industrial changes under mutual influences.
Keywords: Computational thinking, scientific education, virtual educational robotics.
Introdução
De modo geral, o desenvolvimento e o acesso às diversas tecnologias na sociedade atual vêm aumentando e impactando praticamente todas as esferas de atuações das relações humanas. Autores como Nikolaus (2014), Lasi et al (2014) e Baygin (2016) apresentam uma leitura em perspectiva histórica dos avanços tecnológicos postos em relação com setores produtivos, mais especificamente com a indústria. De acordo com tal visão, estamos vivenciando um período correspondente a uma quarta revolução industrial, caracterizando o que tem se denominado por indústria 4.0.
A primeira revolução industrial foi marcada pela mecanização da produção e utilização do vapor para geração de força motriz (indústria 1.0); na chamada segunda revolução tivemos a implantação do conceito de linha de produção, com produção em massa e uso da eletricidade como fonte de energia (indústria 2.0); a terceira revolução caracterizou-se pela automação de processos produtivos por meio de dispositivos eletrônicos e o advento da informática (indústria 3.0); por fim, a quarta e atual revolução é marcada pela integração das tecnologias, sistemas físicos cibernéticos e internet das coisas (indústria 4.0). Na Figura 1 são apresentadas, esquematicamente, essas etapas marcantes de revoluções tecnológicas e industriais associadas, realizadas sempre objetivando aumentar a eficiência e agregar mais valia à produção.
A noção de indústria 4.0 refere-se a uma fase de mudanças tecnológicas que compreendem o relacionamento entre hardware e software utilizando Cyber Physical Systems (CPS), Internet das Coisas (Internet of Things - IoT), Big Data e Computação em
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Nuvem (CHESWORTH, 2018). De acordo com Rüssmann et al (2015), os pilares tecnológicos da indústria 4.0 envolvem os seguintes conceitos e tecnologias, conforme ilustrado na Figura 2 (RÜSSMANN, 2015): Robôs Autônomos; Simulações; Integração de Sistemas; Internet das Coisas; Segurança Cibernética; Computação em Nuvem; Impressão 3D - Manufatura Aditiva; Realidade Aumentada e Big Data.
Figura 1 - Evolução histórica da produção industrial no mundo: da Indústria 1.0 à 4.0.
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Figura 2 - Pilares tecnológicos da indústria 4.0.
Fonte: Rüssmann et al. (2015)
Todos esses movimentos transformadores ocorrem ao longo da história em contextos de mútuas interações e influências entre os diversos domínios de relações humanas: políticas, econômicas, sociais e científico-tecnológicas. Em particular, alteram profundamente o mercado de trabalho, de modo que determinadas profissões e atividades deixam de existir enquanto que outras oportunidades surgem (BENEŠOVÁ; TUPA, 2017), em um processo que gera simultaneamente desenvolvimento e exclusão, exigindo da sociedade um complexo movimento de reorganização que pressiona em certa medida os sistemas educacionais.
Considerando-se este panorama que tende a ser predominante em escala global, torna-se fundamental refletirmos sobre o papel da Educação Escolar em todos os seus níveis de ensino. A escola está inserida na sociedade e não permanece imune a esses movimentos. De acordo com Zandvliet (2012), observa-se uma crescente inserção de tecnologias da informação e comunicação (TIC) nos sistemas educacionais, que se deve a inevitáveis e irresistíveis pressões de diferentes ordens, tais como econômicas, políticas, científico-tecnológicas e sociais. Com isso, gera-se reformas curriculares oficiais que abordam explicitamente a questão das TIC na educação, aumento na quantidade de aparatos tecnológicos adquiridos para as escolas e variedade de seus possíveis usos para fins didáticos. Todos esses aspectos têm sido objetos de debates e pesquisas e nós pretendemos contribuir no presente trabalho com algumas reflexões nesse sentido.
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A Educação Escolar nos parece colocada diante de um desafio permanente. Ao mesmo tempo em que lhe é atribuída uma tarefa de preparar os estudantes para inserção no mundo propiciando-lhes conhecimentos e habilidades considerados necessários e supostamente desejados pelo mercado de trabalho, espera-se que isso seja feito de modo crítico para formar cidadãos responsáveis socialmente e capazes de agir no sentido da transformação de sua realidade. Tais discursos, frequentemente encontrados em documentos educacionais oficiais e de instituições não governamentais que tomam a Educação por objeto, podem ser interpretados como relações de força entre duas tendências: uma que atua no sentido da adaptação do sujeito a uma realidade social, tecnológica, econômica e política dada; e outra que preconiza a mudança dessa realidade pela atuação cidadã, responsável e consciente do sujeito formado pela escola. As maneiras como os sistemas escolares abordam essas questões dependem de diversos fatores: das perspectivas educacionais de seus agentes, em especial professores, alunos e gestores; de como esses agentes entendem suas funções e objetivos nas posições que ocupam; da natureza de suas práticas e concepções acerca de seus papéis sociais; e das pressões sociais às quais as instituições escolares estão submetidas.
Diante do crescente desenvolvimento tecnológico, nos parece clara a necessidade de que a escola assuma um papel proativo, conforme preconiza Buckingham (2010), na constituição e circulação de saberes e conhecimentos para que as pessoas não sejam somente consumidoras de tecnologias, mas, sobretudo, para que possam atuar com autonomia, criatividade, capacidade crítica e autoral. Nesse sentido, tem sido globalmente destacada a importância das áreas STEAM (sigla em inglês para “Ciência, Tecnologia, Engenharia, Arte e Matemática”) desde a Educação Básica até o ensino superior, bem como a valorização de uma Educação Digital de caráter inclusivo (BRAUND, 2015; BYBEE, 2010).
A partir de leituras sobre a produção do conhecimento científico, do desenvolvimento tecnológico e suas implicações sociais e educacionais, nas últimas décadas vem se constituindo na literatura especializada um paradigma que tem sido denominado por Pensamento Computacional. No presente trabalho, nosso objetivo consiste em apresentar e analisar aspectos desse paradigma, discutindo possíveis reflexos para a educação escolar nas áreas de STEAM e estratégias para abordá-los em práticas de ensino e aprendizagem, tanto em atividades específicas como concebido em termos de habilidades de caráter transversal aos componentes curriculares. Em particular, discutiremos a utilização didática da robótica virtual tomando como exemplo a plataforma CoSpace Rescue.
Pensamento computacional
O termo pensamento computacional foi usado por Papert em 1980 a partir de seus trabalhos com a linguagem LOGO (PAPERT, 1980). Mas, foi a partir de 2006 que esse conceito passou a ser mais amplamente difundido, principalmente por Jeannette Wing ao propor que o pensamento computacional não seria útil somente para cientistas da computação, mas que deveria ser aprendido por todas as pessoas (WING, 2006).
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Segundo a autora, deve-se adicionar o pensamento computacional às habilidades de toda criança juntamente com a leitura, a escrita e a aritmética. Ainda conforme a autora:
Métodos e modelos computacionais nos dão a coragem para resolver problemas e projetar sistemas que nenhum de nós seria capaz de enfrentar sozinhos. O pensamento computacional confronta o enigma da inteligência da máquina: O que humanos fazem melhor que computadores? E o que computadores fazem melhor que humanos? De forma mais fundamental, ele trata a questão: O que é computável? Hoje, sabemos apenas parte da resposta para essas perguntas (WING, 2016, p.2).
Dois influentes grupos, o Computer Science Teachers Association (CSTA) e a International Society for Technology in Education (ISTE), definem que o pensamento computacional é um processo de resolução de problemas que inclui, mas não se limita, às seguintes características: formulação de problemas de maneira que se possa utilizar um computador e outras ferramentas para ajudar na resolução; organização e análise lógica de dados; representação de dados através de abstrações tais como modelos e simulações; automação de soluções através de pensamento algorítmico (um conjunto de passos ordenados); identificação, análise e implementação de soluções com o objetivo de alcançar a combinação de passos e recursos que sejam mais eficientes e efetivos; generalização e transferência deste processo de resolução do problema para uma ampla variedade de problemas (ISTE; CSTA, 2011).
Há disposições ou atitudes que são dimensões essenciais do pensamento computacional, as quais incluem (ISTE; CSTA, 2011):
Confiança em lidar com complexidade;
Persistência em trabalhar com problemas difíceis; Tolerância à ambiguidade;
Habilidade de lidar com problemas abertos e contínuos;
Habilidade de comunicar e trabalhar com outras pessoas para atingir um objetivo ou solução comum.
Estas atitudes apoiam e intensificam o pensamento computacional. A existência deste aspecto não cognitivo do pensamento computacional tem sido pesquisada empiricamente por Román-González et al. (2017, 2018).
A abordagem do pensamento computacional, segundo Csizmadia et al. (2015), consiste em cinco passos. O primeiro passo é a decomposição, que consiste em analisar o problema e subdividi-lo em passos ou problemas menores. O segundo é o reconhecimento de padrões, que requer que sejam procurados padrões repetitivos no problema com o objetivo de projetar uma solução mais eficiente. Estes padrões são abstraídos no terceiro passo, de modo que sejam representados de forma generalizada. O quarto passo envolve o projeto do algoritmo, no qual a solução do problema é projetada de forma sistemática.
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Finalmente, avalia-se o algoritmo para validar a solução, sendo esta etapa conhecida como depuração. O cumprimento rigoroso destes passos gerará uma solução optimizada e eficiente. Segundo Anderson (2016), cada um destes passos do pensamento computacional é uma habilidade fundamental que pode ser empregada no desenvolvimento de pesquisas científicas em diversas áreas de conhecimento. Apesar das habilidades relacionadas ao pensamento computacional terem sido por muito tempo objetos quase exclusivos da ciência da computação, recentemente tem ocorrido um movimento para introduzi-las em outras áreas e disciplinas (ANDERSON, 2016; NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 2010; SAQR; TEDRE, 2019).
Alguns fatores considerados pelo National Research Council (2010) como motivos para o aluno aprender pensamento computacional são: (i) ser bem sucedido em uma sociedade tecnológica, (ii) estimular o interesse por profissões relacionadas às tecnologias da informação, (iii) fortalecer a competitividade econômica, (iv) oferecer suporte aos questionamentos e investigações em outras disciplinas, tais como Biologia, Física, Ciências da Terra, Cognição, dentre outras, e (v) promover o desenvolvimento pessoal do aluno.
O modelo adotado para inserir o pensamento computacional nas escolas difere entre os países, conforme é mostrado por Heintz et al. (2016). Segundo os autores em uma análise de dez países, Austrália, Inglaterra, Estônia, Finlândia, Nova Zelândia, Noruega, Suécia, Coreia do Sul, Polônia e EUA,o modelo mais comum adotado foi o desenvolvimento do pensamento computacional de forma compulsória no ensino fundamental e de forma eletiva no ensino médio. Alguns poucos países fizeram de forma compulsória em ambos os níveis, enquanto que alguns países introduziram o pensamento computacional somente no ensino médio.
A maneira de introduzir o pensamento computacional nas escolas também apresentou variação (HEINTZ et al., 2016), sendo introduzido em uma das seguintes maneiras: (i) em disciplinas diversas, (ii) como um tema transversal ou, (iii) como uma disciplina específica. Independente da maneira adotada para a inserção do pensamento computacional nas escolas, a EUROPEAN COMMISSION (2017) salienta a necessidade dos professores receberem o devido apoio através de formações, tendo exemplos e boas práticas relevantes aos seus contextos de ensino específicos, para que consigam desenvolver com confiança estas competências com seus alunos. Além disso, o ensino do pensamento computacional requer novas abordagens pedagógicas que coloquem os alunos no centro do processo de aprendizagem, como nas metodologias ativas.
Pesquisadores brasileiros também têm se preocupado, de forma ampla, com estas questões. É o que mostram as dissertações e teses dos pesquisadores da Universidade Cruzeiro do Sul formados no intervalo de 2015 a 2017, as quais materializam questões investigativas relacionadas ao uso da tecnologia na educação escolar (CALEJON e SILVEIRA, 2019).
Outro fator relevante no ensino do pensamento computacional é a escolha das ferramentas a serem utilizadas. As mais frequentemente empregadas são os ambientes de programação como o Scratch (RESNICK et al., 2009) e kits de robótica educacional
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móvel como o LEGO Mindstorms (BAGNALL, 2002). Algumas ferramentas de robótica educacional foram analisadas por Morelato et al. (2010) em um estudo comparativo. Dentre as ferramentas analisadas - kits LEGO Mindstorms, kit Fischer Technik, kit Alfa da PNCA e framework GoGo Board, a última recebeu destaque por ser uma alternativa de baixo custo que pode ser introduzida tanto à alunos de ensino médio quanto de graduação. Os autores também apontaram estudos de análise da placa Arduino, como opção ao framework GoGo Board.
Pensamento computacional e áreas STEAM
Atualmente há um movimento no sentido de promover o pensamento computacional nas áreas STEAM. A menção a tal sigla surgiu nos Estados Unidos na década de 1990, onde STEM era usada como uma denominação genérica pelo National Science Foundation (NSF) para identificar qualquer evento, política, programa ou prática que envolvesse uma ou várias das áreas envolvidas – ciência, tecnologia, engenharia e matemática (BYBEE, 2010).
Posteriormente, as artes foram incorporadas ao conjunto adicionando-se a letra A na sigla tornando-a STEAM, pois se reconheceu a importância do pensamento criativo e habilidades de design para a realização dos projetos STEM (PARK e KO, 2012). Por exemplo, no evento RobocupJunior, voltado para alunos da Educação Básica, na categoria de competição OnStage (dança) alinhar a arte e a robótica educacional é uma condição para o alcance dos objetivos, os quais consistem em construir robôs para uma apresentação de dança onde os alunos também podem participar da dança juntamente com os robôs e todos, de forma criativa, se movimentam ao som da música e vestidos com fantasias (ROBOCUPJUNIOR, 2019).
Uma das intenções do uso do termo STEAM na Educação é o rompimento de barreiras entre as disciplinas, promovendo uma forma de interdisciplinaridade. As disciplinas STEAM seriam trabalhadas de forma conjunta permitindo ao aluno a mobilização de habilidades e saberes de modo integrado, favorecendo uma aprendizagem significativa. Com ênfase no trabalho em equipe e no pensamento crítico, as áreas STEAM visam dotar o aluno para que seja capaz de se adaptar e resolver novos problemas no futuro (BRAUND, 2015).
Segundo Weintrop et al. (2016), o relacionamento do pensamento computacional com as áreas STEAM é recíproco, ou seja, o uso do pensamento computacional pode enriquecer a aprendizagem de matemática e ciências, e o uso de contextos de matemática e ciências pode enriquecer a aprendizagem do pensamento computacional. Por isso, almeja-se um esforço educacional no sentido de unir os conceitos de pensamento computacional às ciências e matemática. A inserção do pensamento computacional no ensino de ciências e matemática realiza uma aproximação entre esse ensino e práticas profissionais atuais destas áreas.
Para Wing (2006), a inserção do pensamento computacionalno ensino básico pode fomentar o interesse dos alunos pela área de computação, mostrando sua versatilidade e
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relevância na resolução de problemas do mundo atual. Contudo, as implicações desta estratégia educacional podem ir além - criar e intensificar as relações interdisciplinares da computação com as áreas STEM, qualificando todos os alunos para as evoluções da sociedade atual no campo da ciência e da matemática.
Weintrop et al. (2016) definem uma taxonomia para mostrar como o pensamento computacional pode ser inserido em matemática e em ciências de modo a contemplar a crescente natureza computacional presente no desenvolvimento da matemática e das ciências modernas. Esta definição do pensamento computacional para a matemática e ciências no formato de taxonomia consiste em quatro categorias principais: práticas de dados, práticas de modelagem e simulação, práticas de solução de problemas computacionais e práticas de pensamento sistêmico, conforme é mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Taxonomia do pensamento computacional em matemática e ciências.
Práticas de Dados Práticas de Modelagem e Simulação Práticas de Solução de Problemas Computacionais
Práticas de Pensamento Sistêmico Coletar dados
Criar dados Manipular dados Analisar dados Visualizar dados
Utilizar modelos computacionais para entender um conceito Utilizar modelos computacionais para encontrar e testar soluções Avaliar modelos computacionais Projetar modelos computacionais Construir modelos computacionais
Preparar problemas para soluções computacionais
Programação
Escolher ferramentas computacionais efetivas Avaliar abordagens/soluções diferentes para um problema
Desenvolver soluções computacionais modulares
Criar abstrações computacionais Solução de problemas e depuração
Investigar um sistema complexo de modo geral
Entender as relações dentro de um sistema
Pensamento em níveis
Informação de comunicação sobre um sistema
Definir sistemas e gerenciar complexidade
Fonte: Adaptado de Weintrop et al. (2016)
Para inserir o pensamento computacional nas aulas de matemática e ciências, os autores desenvolveram alguns planos de aula para as disciplinas de matemática, biologia, física e química do ensino médio. As atividades foram classificadas conforme a taxonomia da Figura 3 e foram projetadas para serem lecionadas por professores que não possuem formação em ciência da computação e áreas afins, além de poderem ser adotadas e incorporadas ao currículo existente de matemática e ciências.
Para exemplificar, mostramos na Tabela 1 o planejamento dos autores para uma aula de química do ensino médio sobre leis dos gases, na qual algumas práticas do pensamento computacional foram inseridas e apontadas por meio da taxonomia. Nesta aula foi proposto que os alunos utilizassem simulação interativa para explorar a relação entre propriedades macroscópicas dos gases (pressão, volume e temperatura) com base em como estas propriedades emergem a partir de interações microscópicas (o movimento das partículas de gás e a interação com as paredes do recipiente).
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Tabela 1 - Inserção de práticas do pensamento computacional em aula de química sobre leis dos gases.
Prática do Pensamento
Computacional (Taxonomia) Roteiro de Aula
Utilizar modelos computacionais para entender
um conceito
A ferramenta utilizada faz parte do pacote de simulações PhET (ADAMS et al., 2008) a qual oferece suporte aos alunos no entendimento dos conceitos que estão sendo modelados.
Criação de dados
Os alunos exploram os comportamentos dos gases realizando experimentos cujos resultados são armazenados em uma planilha eletrônica
Análise de dados Visualização de dados
Os alunos visualizam os dados que geraram e criam gráficos em vários formatos para encontrar o formato mais adequado para explicar aos colegas o relacionamento entre as variáveis
Pensamento em níveis
A simulação permite que o aluno investigue tanto os comportamentos microscópicos (nível dos agentes) quanto os macroscópicos (propriedades agregadas dos gases)
Avaliação dos modelos computacionais
Pede-se aos alunos para eles refletirem sobre a diferença entre explorar as leis dos gases usando modelos e conduzindo experimentos de bancada
Investigação de um sistema complexo como um todo
Para derivar as leis dos gases, o aluno deve considerar o sistema como um todo, explicando os detalhes das interações subjacentes e focando na identificação e medição de entradas e saídas do sistema agregado.
Fonte: Adaptado de Weintrop et al. (2016)
Adler e Kim (2018) propõem a inclusão do pensamento computacional em aulas de ciências através da construção de modelos e simulações. Para isso, esses autores ofertaram em Chicago nos EUA um curso de formação de professores de ciências , no qual os participantes foram introduzidos à programação através de um tutorial e em seguida realizaram uma atividade em que programaram um modelo de animação do sistema solar utilizando Scratch. Outra atividade realizada no curso citado foi a criação de uma simulação para visualizar a Segunda Lei de Newton (F = m . a) com a geração de um gráfico dinâmico. A simulação consistiu em uma corrida de dois carros contendo parâmetros interativos que o usuário podia alterar, tais como a massa de cada carro e a força neles aplicada. Esta experiência vivenciada pelos professores evidenciou potencialidades da inserção de atividades do pensamento computacional nas aulas de ciências, fazendo com que passassem a ter planos de incorporar o pensamento computacional em suas aulas.
Inserir o pensamento computacional na educação básica requer uma análise de sua sinergia com outras áreas do conhecimento, como a ciência e a matemática. Barcelos e Silveira (2012) realizaram um mapeamento entre as competências da área de matemática previstas em documentos curriculares brasileiros e aquelas desenvolvidas em atividades didáticas envolvendo o pensamento computacional descritas na literatura. O mapeamento agrupou as atividades desenvolvidas em três competências relacionadas ao
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ensino de matemática: articulação de símbolos; identificação de padrões e regularidades; e construção de modelos representativos e explicativos, mostrando comisso os pontos de sinergia entre o pensamento computacional e a matemática, o que contribui para melhor direcionar o desenvolvimento de sequências didáticas que possam associar a matemática e o pensamento computacional.
De acordo com Sneider et al. (2014), uma maneira de entender o pensamento computacional com relação à matemática consiste em visualizar as competências que podem ser consideradas do pensamento matemático, aquelas que podem ser consideradas do pensamento computacional e aquelas que fazem parte de ambos os pensamentos. Os autores expressam, através de um diagrama de Venn (Figura 4), sua visão sobre como os pensamentos matemático e computacional se relacionam. Como mostrado no diagrama, à competência de análise e interpretação de dados é apenas uma das comuns para ambos os pensamentos matemático e computacional. Outras competências comuns incluem resolução de problemas, modelagem, estatística e probabilidade.
Figura 4 - Diagrama de Venn do pensamento matemático e computacional.
Fonte: Adaptado de Sneider et al. (2014)
Conforme Shute, Sun e Asbell-Clarke (2017) a robótica educacional, os jogos digitais e a programação podem ser maneiras eficientes de promover as habilidades do pensamento computacional nas áreas STEAM devido aos seguintes motivos:
Programação: A escrita de programas de computadores requer a análise do problema, determinando o objetivo a ser alcançado e, então, a partição do
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problema em seus processos constituintes identificando sub-objetivos e passos associados para alcançar o objetivo. Além disso, a escrita de programas eficientes requer abstração e generalização. Por exemplo, se um passo precisa ser repetido quatro vezes, uma solução eficiente seria colocar este passo dentro de um laço de repetição ao invés de escrever o mesmo código quatro vezes. É interessante também que, parte do código de programação possa ser utilizado em problemas semelhantes realizando um mínimo de ajustes ao invés de escrever um novo programa do início. E para testar a correção e eficiência de um programa, uma depuração (debugging) pode ser realizada;
Robótica: Através da robótica o aluno pode ter experiências táteis para solucionar problemas usando as habilidades do pensamento computacional. Na robótica o aluno precisa identificar o problema/objetivo geral para o robô e decompor o problema determinando a quantidade de passos ou sub-objetivos para alcançar o objetivo geral. Os alunos desenvolvem algoritmos para o robô para que o mesmo siga as instruções e tome as devidas ações. Quando o robô não age conforme o esperado, a depuração (debugging) é realizada. A depuração requer processos iterativos de testes e modificações sistemáticos;
Desenvolvimento e prática de jogos digitais: Provê aos jogadores vários objetivos a serem alcançados, que podem ser objetivos menores dentro dos vários níveis do jogo e objetivos maiores, representados pelos níveis principais e pela narrativa. Para obter sucesso, os jogadores precisam elaborar planos de solução e, se um plano falhar, um plano modificado é desenvolvido. Por meio da realização de testes sistemáticos de vários planos, os jogadores encontram a estratégia mais efetiva para superar os desafios do jogo. Além disso, os jogadores habilidosos são capazes de adotar estratégias já utilizadas anteriormente para solucionar novos problemas. Assim, a decomposição de problemas, o teste sistêmico, a depuração, a generalização e a iteração são habilidades requeridas no desenvolvimento e prática de jogos digitais e são componentes importantes do pensamento computacional.
A programação, a robótica e os jogos digitais são maneiras eficientes de desenvolver o pensamento computacional nos alunos. Uma plataforma educacional com este propósito, denominada CoSpace Rescue, foi desenvolvida pelo Centro de Robótica Avançada e Controle Inteligente (Advanced Robotics and Inteligent Control Centre - ARICC) do Instituto Politécnico de Singapura (ROBOCUP SINGAPORE, 2015). Esta plataforma de software tem atraído atenção de educadores, alunos e já conquistou espaço em competições de robótica pelo mundo. Por meio dela desenvolve-se nos alunos o pensamento computacional através da programação, da robótica e da prática de jogos digitais.
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Na próxima seção é enfatizada a integração destas abordagens no desenvolvimento do pensamento computacional através do uso da plataforma CoSpace Rescue. Mostramos que esta plataforma proporciona o desenvolvimento do pensamento computacional no aluno através de uma experiência de programação de robôs, na qual o aluno tem a oportunidade de aprender a programar além de desenvolver conhecimentos em robótica educacional. Além disso, como a plataforma CoSpace é um jogo digital, o aluno intensifica o seu pensamento computacional ao formular estratégias para que os robôs atinjam suas metas no jogo.
A Plataforma CoSpace Rescue
Na plataforma CoSpace Rescue, os alunos agrupados em equipes desenvolvem e programam estratégias apropriadas para robôs autônomos, reais e virtuais, para que percorram um cenário real e virtual com objetivo de coletar objetos coloridos. Enquanto um robô está procurando e coletando objetos, ele está competindo com outro robô de outra equipe, o qual está fazendo o mesmo, ou seja, também procurando e coletando objetos no mesmo cenário, ao mesmo tempo. As Figuras 5 e 6 mostram robôs competindo ao coletarem objetos no mundo virtual e no mundo real, respectivamente.
Figura 5 - Plataforma CoSpace Rescue com robôs competindo no mundo virtual.
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Figura 6 – CoSpace Rescue com robôs competindo no mundo real.
Fonte: ROBOCUP 2017-2018 (2018)
Conforme é mostrado na Figura 5, dois robôs virtuais competem entre si navegando, primeiramente pelo mundo virtual 1 e depois se transportam para outro cenário, o mundo virtual 2. Ambos os mundos podem ser virtuais, mas também é possível que a competição ocorra de forma alternada, ou seja, com o mundo 1 sendo uma arena real, conforme é mostrado na Figura 6. Neste caso, em um momento específico da competição, o robô real se transporta para o mundo 2, virtual.
Através da plataforma CoSpace Rescue os alunos têm a oportunidade de explorar conceitos de robótica e programação de forma lúdica, como um entretenimento associado à jogos digitais, com o fator da competitividade tendo um valor motivacional. O desenvolvimento das atividades em equipe também contribui para um maior engajamento e motivação, e fomenta nos alunos a importância de se realizar gerenciamento de projetos. Além disso, habilidades desejáveis são desenvolvidas nos alunos, tais como liderança, comprometimento, responsabilidade, comunicação interpessoal, empatia, respeito e outros, promovendo espírito de equipe e foco no alcance de metas.
CoSpace Rescue: jogo digital
Segundo Clunie et al. (1996), a função do jogo CoSpace Rescue é “treinar o sujeito para a convivência social no mundo regido por leis que precisam ser conhecidas. Um único jogo pode desenvolver e aperfeiçoar diversos tipos de conceitos, sendo aplicável em diversas áreas do conhecimento”. Chapman e Martin (1995) afirmam que os jogos oportunizam a descoberta de soluções para os mais variados problemas, através do estabelecimento de estratégias e implicações, encorajando os alunos a resolvê-los.
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As competições baseadas no conceito de jogos digitais podem organizar as pessoas para trabalharem em direção a um objetivo comum tendo o incentivo de uma recompensa não financeira. A colaboração promovida entre os participantes possibilita realizar tarefas maiores por participantes com habilidades diversas e pode melhorar o desempenho de cada participante através da aprendizagem com os outros (NAG; KATZ; SAENZ-OTERO, 2013).
Através da plataforma CoSpace Rescue os alunos são estimulados a competirem entre equipes. Dois robôs de equipes distintas percorrem a arena, ao mesmo tempo, realizando a mesma tarefa. O objetivo principal do jogo consiste em locomover o robô para ele coletar objetos (pontos coloridos localizados no chão da arena) e depositá-los em uma área específica alaranjada (denominada depósito), em um período de oito minutos.
Ao coletar e depositar objetos o robô obtém pontuação, sendo sua meta pontuar o máximo possível durante o tempo da partida. Existem obstáculos e armadilhas que o robô deve desviar para não perder pontuação. Além de ser crucial o desempenho do robô, a combinação na qual os objetos são coletados e depositados também influencia na pontuação, sendo atribuídos pontos extras caso o robô deposite um objeto de cada cor (vermelho, verde e preto). No segundo mundo (ambiente virtual), essa combinação de cores posiciona na arena um Super Object com pontuação bônus e o robô deve coletá-lo e depositá-lo para os pontos serem atribuídos ao placar. Assim, os alunos precisam definir estratégias de navegação do robô, estratégias de busca, coleta e depósito dos objetos.
A competitividade do jogo CoSpace favorece a formação de comunidades de alunos e educadores interessados em robótica através da realização de eventos de competição de robótica. Nestes eventos promove-se a interação social dos alunos, pois além de competirem, os alunos trocam experiências entre si e formam suas redes de contatos. Além disso, tanto em sala de aula como em eventos de competição de robótica, a competitividade promove nos alunos a prática da persistência, da resiliência, do respeito mútuo e da empatia pelos colegas. O processo de aprendizagem, quando inserido em um contexto de interação social, faz com que os alunos se sintam mais motivados e, conseqüentemente, ocorre um maior engajamento e participação ativa dos alunos na aprendizagem.
CoSpace Rescue: robótica educacional
A robótica é uma ótima ferramenta para apoiar os alunos na aprendizagem de conceitos de engenharia e ciência da computação. No entanto, para algumas escolas pode ser complicado despender de recursos financeiros para a aquisição de kits educacionais de robótica ou de dispositivos eletrônicos e os componentes necessários. Além do fator financeiro, o armazenamento, a manutenção e a própria utilização destes dispositivos físicos podem apresentar problemas práticos aos professores e podem acabar não favorecendo o envolvimento dos professores na robótica, especialmente os professores que nunca tiveram contato prévio com robótica e que podem sentir-se
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inseguros ou desmotivados a utilizar dispositivos físicos e eletrônicos. A simulação em robótica é uma alternativa, uma vez que através de simulação é possível ter a experiência e obter os benefícios de se trabalhar com robôs, porém a um baixo custo, utilizando computadores já disponíveis na escola (HUGHES, 2016).
Segundo Sneider et al. (2014), as simulações que permitem ao aluno utilizar o pensamento computacional não são constituídas simplesmente por animações, são modelos computacionais dinâmicos nos quais os alunos modificam condições e observam as novas saídas. As simulações estão sendo cada vez mais utilizadas no ambiente educacional no ensino de conteúdos diversos. Um exemplo são as simulações computacionais aplicadas por Adler e Kim (2018) em aulas de ciências para ensinar a Segunda Lei de Newton através de simulações de corrida de carros.
Na robótica educacional as simulações proporcionam, além da redução de custos, maior facilidade e agilidade na realização dos testes de funcionamento dos robôs. Caso o aluno dispunha de um computador pessoal em casa, o uso de simuladores facilita que o aluno exercite em casa os conhecimentos desenvolvidos na escola. Sem o uso de um simulador, o aluno teria que possuir um kit de robótica para conseguir estudar e praticar em casa, o que não condiz com a realidade financeira de muitos alunos (FERNANDES, 2017).
A plataforma CoSpace Rescue, distribuída de forma gratuita, oferece a experiência da robótica e da programação através de um ambiente de simulação contendo robôs simulados que navegam por um ambiente virtual. Segundo Hughes (2016) atributos físicos, tais como inércia, fricção e outros, estão presentes na plataforma de simulação robótica CoSpace, o que a confere uma representação mais próxima da realidade de um robô físico.
Na plataforma CoSpace , o robô simulado possui duas rodas (controladas de forma independente) e alguns sensores de luz (cor), ultrassônicos e uma bússola. Com isso, o aluno tem a oportunidade de explorar conceitos introdutórios de robótica referentes à navegação autônoma de robôs, atuação de sensores e motores, dentre outros. Além disso, conceitos de física e matemática inerentes às atividades de automação e robótica também podem ser explorados.
A plataforma CoSpace Rescue tem sido utilizada em vários países e em competições de robótica como a RoboCupJunior (em etapas regionais, nacionais e internacional) como sendo a plataforma oficial da subliga RescueSimulation da liga Resgate (ROBOCUPJUNIOR, 2019). Esta competição, que tem foco educacional, faz parte da RoboCup, sendo destinada ao público mais jovem - alunos com idade até 19 anos cursando o ensino básico.
Na subliga do simulador de resgate CoSpace, os alunos devem documentar as soluções de seus robôs entregando produções de texto em formato de escrita científica, sendo os modelos do artigo (TDP - Team Description Paper ) e do pôster disponibilizados previamente aos alunos (ROBOCUPJUNIOR, 2019). Além disso, entrevistas são realizadas com os alunos para que os mesmos discorram sobre a experiência de
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aprendizagem que tiveram, tais como as estratégias de busca e resgate propostas pela equipe, as inovações alcançadas, as colaborações com outras equipes, o plano de continuidade do trabalho para o futuro e possíveis agradecimentos da equipe (ROBOCUPJUNIOR, 2019).
Na etapa internacional RoboCupJunior as partidas compreendem, primeiramente a navegação de um robô físico em uma arena real (mundo 1) para posteriormente ocorrer a transferência do robô físico para o mundo virtual (mundo 2). O robô físico é disponibilizado aos alunos pela comissão organizadora durante o evento e os alunos podem utilizar o mesmo código de programação em ambos os robôs, virtual e físico. O robô físico denominado Bot’nRoll ONE A (SAR, 2018), conforme mostrado na Figura 7, é um robô educacional que utiliza tecnologia Arduino e que foi compatibilizado com o software CoSpace para tornar-se o robô oficial da competição CoSpace Rescue RoboCupJunior.
Figura 7 - Robô CoSpace da competição RoboCupJunior - etapa internacional.
Fonte: SAR (2018)
CoSpace Rescue: ensino de programação
O robô CoSpace deve ser programado para realizar tarefas. Esta programação, na plataforma CoSpace é realizada de forma orientada a eventos, onde o fluxo do programa é determinado pelos eventos. Os eventos estão associados ao robô como, por exemplo, a detecção de um objeto colorido por meio de um sensor de cor.
A Programação orientada a eventos é um paradigma de programação. Diferente de programas tradicionais que seguem um fluxo de controle padronizado, o controle de fluxo de programas orientados a evento é guiado por indicações externas, chamadas eventos. Sua aplicação é comum no desenvolvimento de sistemas de interface com o usuário. Um sistema desenvolvido neste paradigma é programado com um laço de repetição de eventos, os quais recebem repetidamente informação para processar e disparam uma função de resposta de acordo com o evento (FERG, 2006).
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Esta é uma maneira diferente de pensar em programação comparando-se com linguagens de programação típicas. Na plataforma CoSpace Rescue, para programar um robô é preciso criar statements e cada statement deve apresentar três propriedades:
1. Prioridade - que é determinada pela sequência dos statements. 2. Condição.
3. Ação.
O funcionamento do programa ocorre da seguinte maneira: o programa realiza o teste da condição do statement de mais alta prioridade, caso a condição seja verdadeira, a ação associada a este statement é executada, sendo esta ação executada até que a condição seja falsa. Quando o statement de mais alta prioridade é falso, o programa irá testar o próximo até que seja encontrado o statement de mais alta prioridade que seja verdadeiro e então sua ação será executada até que a condição seja falsa. Então, a execução retornará ao statement de mais alta prioridade e repetirá o processo (ROBOCUP SINGAPORE, 2015).
A estrutura utilizada para programar o robô CoSpace é mostrada na Figura 8, sendo que quanto mais no topo estiver um statement, mais alta é a sua prioridade.
Figura 8 - Representação da estrutura orientada a evento usada para programar o robô CoSpace.
Fonte: Adaptado de ROBOCUP SINGAPORE (2015)
Na plataforma CoSpace Rescue uma interface de programação gráfica oferece aos alunos e professores uma maneira simplificada e agradável de experimentar a programação. Este ambiente de programação gráfico é mostrado na Figura 9.
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Figura 9 - Interface de programação gráfica da plataforma CoSpace Rescue.
Fonte: ROBOCUP SINGAPORE (2015)
Através da interface de programação o aluno pode criar uma pilha de statements estabelecendo uma sequência de prioridades. Em cada statement é especificada uma condição a ser detectada pelos sensores e também a ação que o robô realizará quando a condição for satisfeita. A partir destes statements, automaticamente é criado um programa na linguagem de programação C#, o qual irá guiar o robô durante a simulação.
Na plataforma CoSpace Rescue além de utilizar a interface gráfica de programação, o aluno pode optar por programar de forma mais avançada através de escrita textual, utilizando para isso a linguagem de programação C#. Assim, para programar, os alunos podem utilizar a interface gráfica ou podem programar diretamente em C#, o que faz com que a plataforma CoSpace possa ser utilizada por alunos de idades variadas e de diferentes níveis de habilidades digitais (HUGHES, 2016).
Considerações Finais
Em um cenário de surgimento da indústria 4.0, acelerado desenvolvimento tecnológico e crescente acesso das pessoas a diversos dispositivos tecnológicos, cabe à Educação Escolar posicionar-se diante do desafio de formar cidadãos críticos, criativos e socialmente atuantes, mas que ao mesmo tempo sejam capazes de se inserir nesse contexto desenvolvendo habilidades e conhecimentos para tanto. O pensamento computacional, o qual contribui no desenvolvimento de habilidades como raciocínio lógico, autonomia, pensamento crítico, colaboração, trabalho em equipe, empatia e capacidade de resolver problemas complexos, pode se tornar uma alternativa a esse desafio que se impõe à Educação contemporânea.
Ainda que o desenvolvimento do pensamento computacional possa ser feito através de uma disciplina específica, é possível e nos parece mais viável abordar o pensamento computacional transversalmente às disciplinas já existentes. O desenvolvimento do pensamento computacional ao longo do ensino básico poderá prover
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aos estudantes habilidades relevantes a diferentes contextos de estudo, habilidades tais como raciocínio lógico, resolução de problemas, organização de ideias e competências digitais. Integrar o pensamento computacional às aulas de matemática e de ciências pode propiciar uma reflexão que orientará o ensino a novas perspectivas.
A integração das abordagens de jogos digitais, robótica educacional e programação é uma maneira promissora de desenvolver nos alunos conhecimentos de Ciências, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática (áreas STEAM). A plataforma CoSpace Rescue realiza a integração destas abordagens tecnológicas e educacionais, e com isso pode auxiliar a desenvolver nos alunos da Educação Básica diversas habilidades, talvez até mesmo incentivando-os para carreiras tecnológicas e das engenharias através de uma introdução adequada nas áreas STEAM.
Uma vez evidenciadas essas possibilidades a partir da revisão da literatura que fizemos, cabem estudos e pesquisas empíricas que as investiguem cientificamente. Nesse sentido, propomos como trabalho futuro aproximarmo-nos de estudantes que participam ou participaram de eventos como a RoboCup Junior para aprofundarmos sobre o uso da plataforma CoSpace, a fim de, compreendermos as experiências desses participantes e analisarmos o uso da plataforma em contextos educacionais.
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Agradecimentos
Agradecemos ao Programa Doutor Colaborador (PDC) e ao Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH) da Universidade Federal do ABC (UFABC) por viabilizar e apoiar o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa de pós-doutorado, e ao Instituto Federal do Paraná (IFPR) pela concessão de afastamento integral para a realização do mesmo.
