Ambiente Virtual de Aprendizagem Aplicado ao Ensino de Disciplinas da Engenharia (PAEE´2011)
Rita de Cássia Silva*, Sérgio A. A. De Freitas*, Tiago F. R. Lucena*, Nathália Nóbrega*, Aline L. Campelo*, Vitor Makoto*
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Faculdade UnB Gama, Universidade de Brasília, CECEL Lote 01 Gama - DF, Brasil

Email: ritasilva@unb.br, sergiofreitas@unb.br, tiagofranklin@gmail.com, nathalianob@gmail.com

Abstract It has been believed that the insertion of computer technology could provide to the teachers and students a new way to teaching and learning certain subjects. This way this work aims to present the preliminary actions to develop a Virtual Learning Environment (VLE), which will be a supporting tool for the improvement of the learning process in engineering courses at campus Gama – University of Brasilia. To illustrate the use of this tool in such a way, the paper shows a prototype of the environment applied to a specific course in the engineering field, i.e., Mechanics of Solids. Keywords: Virtual Learning Environment; Mechanics of Solids; engineering courses; didactic tools.

1 Introdução
Por mais de 20 anos, algumas pesquisas em educação constataram a forte influência das crenças do professor em suas práticas pedagógicas (Niederhauser & Stoddart, 2001), ou seja, seu comportamento e a didática aplicada em sala de aula são direcionados por suas convicções quanto à metodologia ideal. Da mesma forma, nas últimas décadas, o número de pessoas com acesso a recursos de informática tem sido cada vez maior. De fato as novas tecnologias de informação e comunicação têm revolucionado diversos aspectos da vida moderna, dentre eles a educação. Assim para muitos profissionais da área, a inserção de ferramentas computacionais no processo de ensino passou a fazer parte de suas metodologias de ensino, sendo esta uma ferramenta eficaz. Neste sentido, percebe-se que os avanços da informática com o surgimento da WEB aliados à tentativa de levar conhecimento àqueles que não podem estar em um ambiente de sala de aula deram início ao sistema de Educação à Distância (EaD). Percebem-se, ao longo da história, vários fatos que demonstram que a busca pelo aprendizado fora deste ambiente é uma prática antiga. Caleb Philips, em 1728, anuncia um curso de taquigrafia domiciliar através do envio semanal de lições. Em 1856, a EaD passa a existir institucionalmente quando Charles Toussaint e Gustav Langensheidt criam a primeira escola de línguas por correspondência em Berlim. Em 1891, Thomas J. Foster dá início ao International Correspondence Institute, e como estes, outros acontecimentos reafirmam a EaD como uma prática já difundida, conforme citado em Lobo Neto (1998). Todas essas situações se configuram como tentativas de ensinar conteúdos desvinculados da presença física de professor e estudante. A escrita, em convergência com a técnica de impressão dada por Gutenberg, é apontada como uma tecnologia capaz de ampliar temporalmente a presença do autor. Configura-se assim condição ideal para que a escrita e a informática sejam reconhecidas como tecnologias da inteligência (Pierre Lévy, 1993). Durante a segunda metade da década de 90, o ambiente virtual de aprendizagem (AVA) passou a representar uma ferramenta capaz de viabilizar o EaD. Este ambiente pode ser entendido como um conjunto de recursos digitais de comunicação e computação, utilizados para mediar a aprendizagem (Filatro, 2003). Em agosto de 2008, inaugura-se a Faculdade UnB Gama (FGA) - Universidade de Brasília com vocação exclusiva para formação de engenheiros, que, segundo a Resolução CNE/CES 11/2002 do Brasil devem cursar obrigatoriamente disciplinas fundamentais do núcleo de conteúdos básicos. Em 2009, um grupo de professores e estudantes começa a se dedicar ao desenvolvimento de um ambiente virtual de aprendizagem aplicado ao ensino de álgebra linear (Shzu, Silva & al, 2009).

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Em 2010, o grupo passa a se chamar i-GPDAM - Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Ambientes Interativos e sofre mudanças. Dentre elas citam-se a formação multidisciplinar dos professores e estudantes de graduação e pós-graduação que o compõem, abrangindo profissionais das áreas de Programação Orientada a Objetos, Mecânica dos Materiais e Artes voltada ao conhecimento do design instrucional. Do design instrucional, herda-se a mediação tecnológica como parceira do conhecimento e as interações e simulações capazes de complementar, e não substituir, a presença do professor em sala de aula. Ressalta-se que a natureza multimídia do ambiente e o emprego de estratégias diferenciadas de intervenção do trabalho pedagógico proporcionam a transmediação que garante que nenhuma ação no processo de aprendizagem, seja excludente. Emprega-se o termo transmediação para referenciar um tipo de conteúdo complementar que utiliza de diversas mídias na sua recepção e criação (Jenkins, 2006). A Figura 1 destaca os meios utilizados para promover o aprendizado do estudante dentro deste conceito.

Figura 1: Ciclo de aquisição de conhecimento sugerido no processo de aprendizagem Assim, mais geral, a proposta do grupo passa a ser a criação de um AVA capaz de auxiliar no ensino e na aprendizagem de disciplinas dos cursos de engenharias da FGA; este será denominado Projeto Piloto. Contudo, o presente trabalho traz ainda, a proposta preliminar de construção do AVA aplicado à disciplina de Mecânica dos Sólidos (MecSol). Para tanto, será discutida a importância da disciplina na formação do engenheiro; estratégias de desenvolvimento do ambiente, adequação ao conteúdo da referida disciplina e principais características do ambiente em desenvolvimento; métodos de aplicação e controle quando de sua colocação em uso e as principais conclusões.

1.1 Motivação da escolha do projeto piloto: disciplina Mecânica dos Sólidos
Tendo em vista que o Projeto Piloto do AVA, nesta fase, se baseia no desenvolvimento de um ambiente aplicado à disciplina Mecânica dos Sólidos, julga-se importante fornecer alguns conceitos básicos e, esclarecer o leitor a respeito dos assuntos que tal área trata, dentro do contexto da Mecânica Aplicada. Os sólidos, contrariamente aos fluidos, representam conjuntos conexos de material que possuem forma definida quando não submetidos a solicitações externas. Na Mecânica dos Meios Contínuos, os sólidos são considerados um conjunto contínuo de pontos materiais que podem ser identificados pela posição que ocupam no espaço físico tridimensional. Estes sólidos podem ser ditos rígidos se não há alteração na distância relativa entre quaisquer de seus pontos materiais no decurso do tempo. Caso contrário, serão ditos deformáveis (Pimenta, 2006). Assim, a Mecânica dos Sólidos pode ser entendida como a ciência que descreve as condições de movimento e repouso de corpos rígidos ou não, sob a ação de forças. No campo da Mecânica dos corpos rígidos há a seguinte subdivisão Estática, Cinemática e Dinâmica; enquanto que para os corpos deformáveis inclui-se a Resistência dos Materiais. Temas esses que exigem a visualização de situações próprias da engenharia modeladas tridimensionalmente para criação de ambientes interativos de simulação. Trata-se de transpor os conteúdos estáticos dos livros e apostilas para meios mulitimídia e interativos. Conforme citado na seção 1, MecSol faz parte do núcleo de conteúdos básicos sendo, portanto, uma disciplina considerada importante na formação de um engenheiro. Na matriz curricular aprovada para os cursos da instituição, esta

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disciplina constitui o primeiro contato do estudante de engenharia com o estudo do comportamento de estruturas. Os conteúdos abordados no curso tratam tanto dos corpos rígidos, no tocante à Estática, como de conceitos básicos relativos à Resistência dos Materiais, quais sejam estados de tensão-deformação e suas relações. Conforme destacado na Figura 1, a motivação para o estabelecimento do ciclo de aprendizagem proposto nasce da necessidade de se reforçar conceitos básicos a serem dominados por jovens engenheiros, mas também pela dificuldade apresentada na disciplina pelos estudantes. O índice de reprovação nesta desde a primeira oferta no campus (2º semestre de 2009) oscila entre 30% e 45%, sendo que em outras instituições este índice se encontra na mesma ordem de grandeza. O conteúdo abordado em aula é extenso e traz para a sala de aula, aspectos nunca antes tratados pelos estudantes, integrando conhecimentos de Física e de Álgebra Linear. De fato a disciplina aborda conteúdos diretamente aplicáveis à vida profissional para estudantes do 3º semestre de engenharia, logo estes são, ainda, um pouco imaturos para compreender conteúdos que envolvem certa complexidade. Neste sentido, as integrações entre os encontros presenciais professor/estudante, monitor/estudante e AVA/Material didático escrito (Figura 1) parecem bastante propícios para promover o conhecimento do estudante no tocante à disciplina. Estes são contemplados com suporte de ensino adaptados à disciplina e inovadores através do AVA.

2 Aprendizagem automatizada
O ambiente AVA em desenvolvido têm três partes bem definidas: a modelagem gráfica, a interação do aprendiz/instrutor via ambiente e a modelagem do conhecimento/raciocínio necessários a esta interação. As suas primeiras parte já estão implementadas e são apresentadas na seção 3. A última, também denominada “aprendizagem automatizada”, está em fase de implementação e é descrita nesta seção. O ambiente AVA definido permite a criação automatizada de perfis de interação diferenciados para cada aprendiz ou instrutor. Os perfis definidos são: aprendiz (básico, médio e avançado) e instrutor (professor e tutor). Cada perfil é identificado: (1) a partir da representação individualizada do caminho de aprendizagem de cada aprendiz a partir de descrição prévia (Bossois 2010), (2) da representação conceitual dos conteúdos através de exercícios e (3) da ontologia de conceitos que relacionam os conhecimentos intra e inter disciplinares (Pereira, Seibel, Freitas 2009). O raciocínio referente ao processo de enquadramento de um dado estudante, com um dado perfil, num dado ponto da ontologia é feito através de inferência abdutiva (Brewka, Diz, Konoliga 1997) sobre as interações feitas, os exercícios respondidos e o conhecimento prévio sobre o contexto aprendriz/conteúdo/tutor. Algumas das inferências utilizadas são: (1) Dado o conjunto de conceitos expressos num ou mais exercícios, quando um aprendiz responde acertadamente este conjunto implica que ele conhece o conteúdo expresso. (2) Um exercício futuro que reafirme um conteúdo previamente aprendido, quando respondido erroneamente pelo aprendiz, induz uma falha no seu conhecimento prévio, o qual é representado de maneira não monotônica (Seibel, Freitas 2007). Neste caso o conceito prévio contido no exercício é retirado da base de conhecimento do aprendiz. (3) Mais de um exercício sobre um mesmo conteúdo deve ser realizado para reinserir conceitos reavaliados (item 2). O conjunto de conceitos a serem aprendidos por um aprendiz numa dada disciplina caracterizam o chamado aprendiz modelo. É a diferença entre este aprendiz modelo e o conhecimento do aprendriz em aprendizagem, que identificar, através de regras heurísticas, a categoria em que o aprendiz se enquadra. A partir do modelo ideal criado e das regras de categorização definidas, o ambiente AVA identifica um aprendiz num dado contexto de aprendizagem. Dependendo do desempenho deste neste contexto, é feita uma categorização onde pode acontecer que este seja levado a refazer alguns percursos anteriores, ou, caso demonstre conhecimento avançado sobre o assunto, encurte percursos futuros.

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3 Aplicação do Ambiente Virtual de Aprendizagem
No AVA, o mapa de abordagem dos conteúdos referentes à Estática de corpos rígidos segue a estruturação mostrada na (Figura 2).

Figura 2: Mapa de abordagem do conteúdo Estática no AVA (fase preliminar) A inserção do AVA no processo de aprendizagem se dá através do Guia do Estudante, que segundo a Figura 1 classifica-se 1 como mídia Material Didático Escrito . Seu propósito é apresentar uma abordagem teórica sobre os conteúdos da Estática (fase preliminar) de forma condensada e contextualizada. Neste Guia, nos conteúdos ilustrados na Figura 2, o estudante é convidado a entrar no AVA a partir de ícones alusivos que o remetem a alguns conceitos, nos quais ele pode se exercitar ou encontrar maiores esclarecimentos. De fato o link Guia do Estudante → AVA é estruturado de forma a estabelecer o diálogo entre o conteúdo hipertextual e o AVA. Segundo a Figura 2, nesta primeira etapa de desenvolvimento o estudante terá como objetivo final determinar os Diagramas de Momento Fletor e Esforços Cortante de estruturas, no caso, vigas e pórticos planos (2D). Estas duas classes de estruturas são ditas reticuladas e se diferem pelo tipo de elementos estruturais que as formam. No caso, os pórticos são estruturas formadas por elementos de viga e elementos de coluna conectados de forma a permitir a interação de força e momentos. Neste sentido, a estruturação do ambiente o leva primeiramente ao estudo e, portanto, à definição de graus de liberdade, restrição através da vinculação da estrutura, tipos de vínculos e classificação de sistemas estáticos (estruturas isostáticas, hiperestáticas e hipostáticas). Ao final desta etapa, ele deverá ser capaz de determinar os graus de liberdade, tipos e número de restrições das estruturas, além de classificá-las. O próximo tópico apresenta ao estudante a conceituação de equilíbrio estrutural, que abordará, exclusivamente, estruturas isostáticas (número de graus de liberdade = número de restrições). O estudo deste tópico permitirá que o estudante encontre através do equilíbrio da estrutura, as reações nos apoios aplicando no desenvolvimento deste trabalho a 1ª e a 3ª Leis de Newton, além dos conceitos de equilíbrio vetorial. Para tanto terá que ser capaz de identificar o sistema de forças aplicado (carregamentos distribuídos, concentrados, binários) e características geométricas (vão livre, existência ou não de balanços, altura). A Figura 3 ilustra os objetos de aprendizagem com os conceitos envolvidos na sua compreensão.

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O Guia do Estudante é editado em Microsoft Office Word com ilustrações feitas em CorelDraw.
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Figura 3: Especificação do objeto de aprendizagem de uma viga e de um pórtico – equilíbrio de estruturas

Em seguida, o traçado dos diagramas de esforços internos é proposto ao estudante segundo a ordem apontada na Figura 2. Cabe ressaltar que esta ordem respeita a evolução no nível de dificuldade na resolução da estrutura proposta. Ressalta-se também que cada um dos tópicos mostrados sugere sempre ao final uma bateria de questões interativos ou não para que o estudante teste seus conhecimentos, o nível de dificuldade varia em fácil, médio e difícil.

Figura 4: Modelagem da viga dentro o UNIT

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A Figura 4 mostra como as vigas, apoios e cargas são modelados dentro do ambiente Unity. O Unity permite a modelagem de objetos 2D e 3D, bem como a criação de interações de todos os objetos. Através do Unity é possível criar animações interativas. Esta interação foi utilizada para a modelagem das vigas e na criação dos elementos de interação onde o aprendiz testa os objetos de aprendizagem (Figura 3). O Unity gera arquivos executáveis para diversas plataformas: Windows, Mac entre outros. Logo após os testes de conceitos realizados pelo aprendiz, lhe é apresentada uma nova fase na qual ele testará seus conhecimentos. Esta nova fase é composta, essencialmente, de exercícios de múltipla escolha. Um exemplo é apresentado na Figura 5.

Figura 5: Exemplo de exercício de fixação

A aprendizagem automatizada atua antes e a após a apresentação de um dado exercício ao aprendiz (Figura 5). O exercício não será apresentado caso os conceitos presentes no exercício já estejam consolidados no conhecimento do aprendiz. Caso contrário, o exercício é apresentado e deve ser respondido. Se a resposta dada for correta, então o conceito é considerado aprendido pelo aprendiz em questão. Senão é então considerado a distância entre o conceito pretendido na resposta correta e o da resposta dada. Esta distância definirá o tipo de plano a ser seguido: repetição do mesmo exercício, apresentação de um novo exercício com conteúdo semelhante ou não apresentação de outro exercício.

4 Avaliação do Ambiente Virtual de Aprendizagem
Para validação do ambiente, está sendo formado um Grupo de Avaliação composto por estudantes de graduação da FGA que já cursaram ou estão cursando a disciplina. Aqueles que já cursaram podem ser repetentes ou não. O perfil deste usuário abrange a faixa etária de 19 a 21 anos, do sexo feminino ou masculino. A dinâmica de avaliação passa por quatro etapas até ter seu uso difundido a todos os estudantes. A primeira Etapa considera um grupo de 20 estudantes o que representa uma porcentagem de 10% do total de estudantes; a segunda 36 estudantes, ou seja, 18% do total; a terceira 30% o que abrange 60 estudantes. Na quarta Etapa seu uso abrange toda a população de estudantes. Para avaliação será aplicado um questionário abrangendo o máximo de objetos de aprendizagem. Este questionário está em fase de elaboração.

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5 Conclusão
A necessidade de criação de um AVA específico para os conteúdos da engenharia foi percebida pelos educadores e professores da FGA, como um suporte midiático complementar à apresentação de conteúdos. Percebe-se também que integrado ao ambiente multimídia, contribui-se para que os conteúdos da disciplina Mecânica dos Sólidos atinjam este novo perfil de estudante, ou seja, aquele integrado ao mundo informatizado. Isto porque, conteúdos que apresentam simulações ganham em produtividade quando estão diluídos em ferramentas e suportes que permitem a manipulação pelo estudante. O ambiente desenvolvido, em sua segunda versão , está em fase de avaliação dentro da comunidade bem como de ampliação dada à utilização de perfis de aprendizagem. Também está sendo remodelada a arquitetura interna do sistema computacional de modo a permitir um ambiente acessível via web. Ressalta-se que a eficácia do ambiente proposto exige uma conduta ativa por parte do estudante, diferentemente do que 3 se encontra disponível na Web por meio de vídeos .
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Referências Bibliográficas
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A primeira versão utilizou o Blender como ferramenta de modelagem.

O Youtube, por exemplo, fornece diversos vídeos com animações que tangenciam o conteúdo de MecSol e mais uma vez esbarra-se em vídeos, prioritariamente, em língua inglesa, seja com legendas ou narração em voz off.
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