ESTRATÉGIAS E FERRAMENTAS PARA A CONSTRUÇÃO DE PROGRAMAS EDUCATIVOS DE SIMULAÇÃO

Maria José Marcelino e Teresa Mendes
Centro de Informática e Sistemas – Universidade de Coimbra
Portugal



1. Introdução

Entre as várias formas de utilização do computador no processo de Ensino/Aprendizagem, os programas educativos conquistaram definitivamente o seu lugar. Definimos programa educativo como qualquer programa de computador que possa apoiar esse processo, desde que tenha sido concebido especificamente para esse fim, com objectivos pedagógico-didácticos subjacentes [1]. Dos diferentes tipos actualmente divulgados (tutoriais, exercícios de repetição e treino, jogos educativos, simulações, programas de conteúdo flexível, programas-ferramenta, etc.), os programas de simulação ganharam um papel de destaque, pelas possibilidades que apresentam, sendo muitas as razões que justificam a sua utilização. Usam-se nas mais variadas áreas curriculares, grupos etários, contextos e estratégias de aprendizagem [2]. Genericamente podemos defini-los como programas que representam dinamicamente uma situação, descrita por um modelo, com a qual o aluno pode interactuar [3].

No entanto, a nível de desenvolvimento, impõem ainda mais restrições do que os programas educativos de outros tipos, já que têm por detrás de si um modelo que, muitas vezes, é preciso definir. Sendo assim, as ferramentas utilizadas na sua construção têm que ter exigências adicionais.

Encontramos basicamente duas abordagens para a sua construção: usando linguagens de programação e ferramentas ou ambientes expressamente desenvolvidos para o efeito.

Entre as primeiras, podemos considerar as linguagens genéricas e as linguagens de simulação. Assim, encontramos exemplos de programas de simulação escritos em Pascal, C, Basic, FORTRAN, Modula-2, LISP, APL, LOGO, na primeira categoria. Quanto às linguagens de simulação, estas dividem-se ainda em linguagens para sistemas discretos e linguagens para sistemas contínuos. Sistemas discretos são sistemas cujas alterações de estado ocorrem em saltos, e não continuamente. Encontramos exemplos destes sistemas em sistemas de atendimento (de uma loja, de um banco, etc.), em sistemas de processamento (fábricas, computadores, comunicações, etc.) e noutro tipo de sistemas (teatros, elevadores, aviões, etc.). Sistemas contínuos são sistemas cujos modelos apresentam uma variação contínua de umas variáveis em relação às outras. São tipicamente descritos por equações diferenciais, embora possam conter também equações algébricas. Exemplos de linguagens para sistemas discretos são ModSim, Simula, GPSS e para sistemas contínuos DYNAMO, ACSL, ESL, SL/1, embora haja linguagens que permitem ambos os tipos de modelos, como é o caso da linguagem SimScript.

Entre as ferramentas ou ambientes desenvolvidos para a construção de programas educativos de simulação referimos o SIMTEK/MOSAIKK e o MacThesis/Thesis apenas, por não serem ferramentas muito frequentes. Daqui em diante, designá-las-emos, genericamente, por ferramentas de simulação. Em maior abundância existem, contudo, ferramentas como o DINAMIX, o CMS-PC, o Model Builder, o STELLA, o Interactive Physics e o Picture Simulator, entre outras, que, apesar da sua versatilidade e utilidade, servem apenas para especificar e executar modelos de simulação e não para a construção de programas educativos de simulação, com tudo o que a construção de um programa deste género implica. Vamos chamar-lhe ferramentas de modelação, em contra-ponto com as anteriores. Há quem utilize ainda folhas de cálculo tradicionais para o mesmo fim (LOTUS 1-2-3, Excel, etc.) [4]. Apesar de muitos autores defenderem particularmente este modo de Aprendizagem, neste domínio, uma vez que possibilita ao aluno a inspecção e/ou a construção do modelo e não apenas a actuação sobre os seus parâmetros, como é usual na maioria dos programas de simulação, pensamos que ambos se justificam no processo de Ensino/Aprendizagem.

Ambas as abordagens têm vantagens e inconvenientes. A utilização de linguagens de programação oferece, sem dúvida, maior flexibilidade do que a utilização de ferramentas dedicadas, mas também maior complexidade, maior esforço e tempo de desenvolvimento, mesmo tratando-se de linguagens de simulação, que já têm características específicas para a implementação de modelos de simulação. Torna-se, por isso, também dispendiosa. A escrita dos programas só pode ser feita eficazmente por especialistas (informáticos), embora possa haver excepções. Outro aspecto ainda a acrescentar é a dificuldade em fazer alterações. A utilização de ferramentas dedicadas poderá evitar estes inconvenientes – pretendem-se sistemas suficientemente flexíveis, fáceis de usar, que possibilitem a criação de programas sem ser necessário programação detalhada. Estas ferramentas têm a vantagem adicional de permitir aos autores concentrarem-se mais nos aspectos pedagógicos, do que nos aspectos técnicos de um programa. Mas, geralmente, quanto mais fáceis de usar, mais limitam a criatividade. Alguns autores são de opinião que os sistemas existentes ainda não são suficientemente versáteis e que lhes faltam algumas características que consideram importantes, interface gráfica e amigável, formas de animação variadas, especificação rápida e intuitiva [5].

Apresentamos, de seguida, as conclusões do nosso estudo sobre algumas das ferramentas citadas.

2. Ferramentas de modelação/simulação

A escolha das ferramentas baseou-se essencialmente numa série de razões, entre as quais citamos disponibilidade, custos, facilidade de obtenção, tempo, etc.., que, à partida, a determinaram. No entanto, não as consideramos únicas. Outras seriam igualmente adequadas.

Analisámos as ferramentas face a um conjunto de critérios, que considerámos, por um lado, suficiente e, por outro, relativamente exaustivo. Porque são bastantes e dada a limitação de espaço, vamos apresentar essa análise de forma bastante sistemática. Nos quadros que se seguem, respectivamente: Ferramentas de Modelação/Simulação, Quadro 1; Ferramentas de Modelação/Simulação, Quadro 2; Ferramentas de Modelação/Simulação, Quadro 3 e Ferramentas de Modelação/Simulação, Quadro 4, destacamos, em tom mais escuro, as ferramentas que melhor preenchem esses critérios (quando existam).


Sistemas dinâmicos são sistemas cujos modelos se incluem no grupo dos modelos contínuos, mas que se caracterizam por terem o tempo como variável independente. Sistemas de 1ª ordem são sistemas de equações diferenciais envolvendo apenas as primeiras derivadas. Modelos de ordem superior podem ser representados, se for possível decompor as respectivas equações num sistema de 1ª ordem [6]. Sistemas estáticos são sistemas cujos modelos só contêm equações algébricas.

Pelos quadros acima vemos que há ferramentas que se baseiam numa metáfora pobre (DINAMIX e SimTek), ou difícil (STELLA), enquanto que outras tentam superar esta limitação (Interactive Physics, Picture Simulator). O mesmo se passa com o tipo de modelos que permitem resolver e a forma de os especificar (a introdução directa das equações não é muito vantajosa; o ideal é ser totalmente gráfica e interactiva (Interactive Physics, Picture Simulator); o STELLA está no meio termo, permitindo uma especificação parcialmente gráfica dos modelos).

Para utilizarmos a maioria destas ferramentas não é necessário conhecermos os mecanismos de resolução dos modelos. Isso possibilita a sua utilização em níveis etários, ou áreas, onde a população não tenha esses conhecimentos, ou quando os modelos não tenham solução analítica, ou esta seja difícil de obter. Sabemos que é difícil entender o comportamento de um sistema a partir de um modelo. Ferramentas deste tipo podem ser usadas, então, com vantagem. Esta é talvez um dos seus aspectos mais significativos – ajudar a construir intuição sobre o comportamento de sistemas.

Em termos de representação gráfica, são mais ou menos equivalentes. Mas, em termos de animação variam muito – desde inexistente (DINAMIX, CMS-PC, Excel) a pobre e pouco esclarecedora (Modelo Builder, STELLA) e a elucidativa (Interactive Physics, Pictura Simulator). Devemos, no entanto, acrescentar que, para estas duas ferramentas, isso é conseguido porque o domínio de aplicação é restrito. Em termos de capacidades de multimedia o panorama é semelhante.

O MacTHESIS e o SimTek, quando usado em associação com o Mosaikk, como ferramentas de simulação que são, permitem ainda a utilização de formas de representação e de interacção variadas na construção dos programas. No geral, a sua utilização é relativamente fácil e rápida, possiblitando o uso em situações em que as circunstâncias usuais não o permitem por serem perigosas, dispendiosas, demoradas, impraticáveis.

Para serem eficazmente utilizadas, consideramos que exigem grande acompanhamento por parte do professor e a existência de documentação de apoio.

4. Requisitos genéricos de uma ferramenta para apoiar a construção de programas de simulação

O estudo anterior permitiu-nos elaborar um conjunto de requisitos a que uma ferramenta de suporte à construção de programas educativos de simulação deve tentar obedecer.

Um dos problemas dos programas de simulação é a diversidade de domínios, situações, condições, estratégias, etc., em que podem ser utilizados. Isto dificulta naturalmente a especificação de uma ferramenta para construir este tipo de programas. De qualquer forma, chegámos à conclusão de que uma ferramenta deste tipo deve:

  • ser especificamente desenvolvida para Ensino,
  • possibilitar a construção de programas de simulação com diferentes tipos de modelos por trás (contínuos, discretos, qualitativos, etc.) e combinar ainda modelos de diferentes tipos [7, 8],
  • utilizar essencialmente técnicas de manipulação directa,
  • permitir formas de visualização variadas (gráficos, figuras, ícones, etc.),
  • técnicas de animação diversas (embora possa haver simulações sem animação, um programa animado permite uma percepção diferente da realidade: mais fácil, mais rápida, mais concreta, mais rica),
  • formas de interacção diversas e poderosas (botões, menus, ícones, janelas, caixas de diálogo, perguntas de escolha múltipla/resposta simples/aberta, etc.),
  • a integração de outros meios num programa de simulação (som, imagens digitalizadas, sequências animadas, sequências de vídeo, etc.),
  • e de dados de outras ferramentas (folhas de cálculo, etc.) e vindos da experimentação, bem como o seu tratamento estatístico, • registar o desempenho do aluno, com vista a optimizar a aprendizagem,
  • ter modos diferentes de funcionamento para o professor-autor, o professor-utilizador e o aluno,
  • ser muito fácil de usar, permitindo fazer alterações, sempre que necessário,
  • permitir a criação de sub-modelos de pedaços de programas que se possam posteriormente reutilizar (facilita a construção e promove a partilha entre os autores),
  • ser portável, para outras máquinas, línguas e culturas, e permitir a utilização individual, ou em rede [9],
  • ser barata.

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    5. Conclusões

    Neste artigo tentámos dar uma perspectiva de algumas possibilidades no que se refere a estratégias e a ferramentas para a construção de programas de simulação e adiantar ainda um conjunto de critérios que consideramos importantes para uma ferramenta deste género. Pensamos ter alcançado esse objectivo. No entanto, esta não é uma tarefa fácil, nem acabada. A evolução tecnológica com certeza ditará sempre novas possibilidades.

    6. Referências

    [1] Mendes, T., Lemos, I., Pinheiro, O., "Programas Educativos: Algumas Reflexões", Relatório Interno, Pólo de Coimbra do Projecto Minerva, 1989.

    [2] Marcelino, M. J., Mendes, T., "Programas de Simulação: Possibilidades e Requisitos", Congresso Nacional do Projecto Minerva, 1992.

    [3] Mendes, T., "Impact of New Information Technologies on Technical Possibilities for Educational Computing in School Environments", EURIT Conference Proceedings, 1988.

    [4] Przasnyski, Z. H., "On Using Spreadsheets to Model Decision Problems", Computers & Education, vol. 13, nº 2, pp. 117-128, 1989.

    [5] Shacham, M., Cutlip, M. B., "Authoring Systems for Laboratory Experiment Simulators", Computers & Education, vol. 12, nº 2, pp. 277-282, 1988.

    [6] Miranda J., "Análise Matemática III", Atlântida Editora, Coimbra, 1978.

    [7] Miller, R., Ogborn, J., Briggs, J., Brough, D., Bliss, J., Boohan, R., Brosnan, T., Mellar, H., Sakonidis, B., "Educational Tools for Computational Modelling", Computers & Education, vol. 21, nº 3, pp. 205-261, 1993.

    [8] Cellier, F. E., "Simulation with Combined Discrete/Continuous-Change Models", NATO Advanced Study Institute, Lecture Notes 12, University of Ottawa, Canadá, July 26-August 6, 1982.

    [9] Girolamo, A., Pontrelli, A., Ulloa, A., "CAMCE - A Distributed Authoring Environment", EC Newsletter, vol. 2, nº 3, pp. 7-24, September-December, 1990.

    Software mencionado

    CMS-PC é uma marca registada da Longman Micro Software.

    DINAMIX é um programa premiado no I Concurso de Software Educacional do GEP.

    Excel é uma marca registada da Microsoft Corp.

    Interactive Physics é uma marca registada da Knowledge Revolution.

    LOTUS 1-2-3 é uma marca registada da Lotus Development Corporation.

    MacTHESIS/THESIS são produtos desenvolvidos na Universidade de Twente, Holanda.

    Model Builder é um produto da Advisory Unit for Microtechnology in Education.

    Picture Simulator é um produto da Newsoft, UNINOVA, Portugal.

    SimTek/Mosaikk são produtos desenvolvidos para o Ministério da Educação Norueguês.

    STELLA é uma marca registada da High Performance Systems, Inc..Sistema para Construção de Simulações Educacionais