A Arquitetura de um Sistema de Autoria para Construção de Tutores Inteligentes Hipermídia
e seu Posicionamento na Informática Educativa

Henri Frederico Eberspächer Celso Antônio Alves Kaestner
Laboratório de Mídias Interativas Departamento de Informática
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
E-mail: {henri, kaestner}@{ccet.pucpr.br}

Fax: (55 41) 330-1620





Este artigo discute as possíveis contribuições recentes da Informática na Educação, particularmente do uso dos recursos de multimídia e de hipertextos. Aborda o modelo clássico para a construção de tutores inteligentes e descreve um modelo desenvolvido para a criação de um sistema de autoria destro desta abordagem, evidenciado suas principais características e motivações. Também são discutidas algumas questões sobre os paradigmas vigentes e as alterações decorrentes a partir do processo de informatização a caminho da Sociedade do Conhecimento.

Introdução
 

Quanto se trata do tema Informática Educativa diversas linhas diferentes de pensamento buscam seu espaço e colocação junto à comunidade acadêmica, famílias e alunos, gerando um ciclo favorável de pesquisa e desenvolvimento na área.

Notoriamente, o uso de Novas Tecnologias de Informação e Comunicação (NTIC) na educação produz aumento de produtividade no processo de ensino e aprendizagem, principalmente se associadas a objetivos sérios e com base num projeto didático-pedagógico coerente.

A respeito do uso de computadores na educação, pode-se categorizar, genericamente, a existência de três fronteiras de aplicação, distintas, porém bastante interrelacionadas (Eberspächer, 1996), a saber:
 

A. Educação sobre computadores

Quando a Informática é o objetivo do processo educacional tem-se configurado o ensino técnico profissionalizante, onde são envolvidos conceitos de organização de sistemas de computação, de hardware e de software.

Nesta situação são tratadas questões acerca da utilização dos aplicativos de caráter comercial que abrangem o cotidiano da microinformática aplicada, bem como a sistemática de programação de computadores e de desenvolvimento de projetos de informatização e automação de processos.
 
 

B. Computadores na Automação Escolar

O inegável potencial dos computadores, na automação dos processos de informação, torna-o ferramenta indispensável para o aprimoramento de, praticamente, todos os serviços do exercício escolar.

Nesta abordagem, vale mencionar alguns dos sistemas de utilização convencionais, tais como:
 
 


 

Educação com Computadores
 

A aplicação dos computadores e afins, tendo como meta um incremento no processo de ensino e aprendizagem a Informática Educativa - é de longe o tema mais polêmico destas três aplicações, assim como o mais importante.

A evolução tecnológica tem como fruto o acúmulo de tecnologias diferentes e complementares, o que é contrário a crença convencional instintiva, floculada pela inércia, que resiste mediante a fobia da substituição de métodos clássicos já consagrados, quadro este que se agrava quanto maior for o isolamento em relação ao uso das Novas Tecnologias de Informação e Comunicação (NTIC) que o público em questão estiver submetido.

O quadro atual tem caminhado para um conceito de Hipertecnologia, que engloba uma convergência de diversas modalidades, tais como:

Pode-se enfatizar, basicamente, dois modos de apoio à Educação através dos computadores (Eberspächer, 1996): A. Os programas de apoio ao ensino

Nesta categoria são enquadrados os programas de computador que foram criados explicitamente para o uso educacional, sendo ferramentas de uso direto ou aplicativos para o desenvolvimento de soluções customizadas.

Alguns exemplos são:

B. A incorporação de conceitos de informática

O segundo modo, a incorporação de conceitos de informática, busca fazer com que através dos programas convencionais de computação possa se desenvolver um projeto educacional multi e interdisciplinar, mediante a aplicação da ferramenta computacional, mas com o objetivo voltado à informação, esta manipulada pelo aluno no respectivo software.

Mediante uma condução adequada, é possível retirar bons resultados utilizando o que já está disponível no ambiente educacional. Neste sentido podem ser utilizados diversos títulos diferentes, que podem ser das mais diversas modalidades, tais como:
 

Sistemas tutores inteligentes
 

Na educação com computadores, na linha dos programas de apoio ao ensino, está situada a aplicabilidade dos Sistemas Tutores Inteligentes, que buscam potencializar a Informática Educativa através da aplicação de técnicas de Inteligência Artificial junto aos programas educativos.

Os tutores inteligentes são um campo de pesquisa e desenvolvimento interdisciplinar, que ainda irão contribuir muito para o aprimoramento da área. Na Figura 1 estão ilustrados os domínios envolvidos (Kearsley, 1987) e nos itens a seguir um pequeno histórico , o modelo clássico e a arquitetura desenvolvida para um sistema de autoria.
 
 



Figura 1 Domínios de uma aplicação de Tutores Inteligentes



A. Histórico

O desenvolvimento de pesquisas na área de Instrução Auxiliada por Computador (CAI - Computer Assisted Instruction) teve início ainda na década de 1960. Os resultados obtidos geraram um grupo de programas convencionalmente chamados page-turners, caracterizados pelas lições preparadas sobre um assunto específico, onde o usuário apenas "virava a página". Nenhuma distinção entre os vários níveis de conhecimento dos usuários era feita, tampouco a geração de problemas e comentários diferenciados (Feigenbaum, 1982) (Rickel, 1989).

Com a aplicação de técnicas de Inteligência Artificial (Feigenbaum, 1982) (Rich, 1988), já na década de 1970, foi possível elaborar programas onde as lições eram apresentadas independentemente dos procedimentos de ensino, que passaram a ser denominados ICAI (Intelligent Computer Assisted Instruction). Assim problemas e comentários podiam ser gerados diferentemente para cada aluno, que passou a ser o responsável pela condução do sistema de instrução, sendo que seus desejos e falhas guiariam o diálogo tutorial. Classicamente os sistemas ICAI são diferenciados dos CAI por separarem as estratégias de ensino do conhecimento subjetivo a ser ensinado (Feigenbaum, 1982) e por manterem um modelo dinamicamente atualizado da performance do usuário (Kaplan, 1995). Mais recentemente, passou-se a utilizar para os sistemas ICAI a denominação Sistemas Tutores Inteligentes ou ITS (Intelligent Tutoring Systems) (Kaplan, 1995).

Para aumentar a disponibilidade de treinamento via ITS, é necessário reduzir substancialmente o seu tempo de desenvolvimento e a sua forte dependência em relação a conhecimentos de Inteligência Artificial. Isto pode ser conseguido através do desenvolvimento de sistemas geradores de ITS (Begg, 1987) denominados de IAS (Intelligent Authoring System). Um IAS deve ser capaz de manter um bom grau de personalização sem necessidade de programação explícita e aumento de custos (Kaplan, 1995).
 
 

B. Modelo Clássico

A divisão clássica de um ITS em módulos resulta no diagrama de blocos apresentado na Figura 2 (Kaplan, 1995). Nela distinguem-se quatro entidades básicas: o Modelo Pedagógico, o Modelo do Especialista, o Modelo do Estudante, o e a Interface.

O Modelo Pedagógico, também chamado Modelo Instrucional ou Regras de Ensino, executa o diagnóstico do conhecimento do aprendiz, decide quais as estratégias de ensino serão utilizadas e determina a maneira que a informação será apresentada.

O Modelo do Especialista, ou Rede de Conhecimento, descreve o conhecimento de um especialista na área de domínio do sistema, servindo como base para a construção do Modelo do Estudante.
 
 

Figura 2 - Diagrama de Blocos de um ITS Clássico


O Modelo do Estudante é a representação do conhecimento do aprendiz e dos seus erros ou mal-entendidos, mapeando quais informações do tutor já foram assimiladas.

É através da comparação entre as informações assimiladas pelo aprendiz (Modelo do Estudante) e o Modelo do Especialista, através de um processo convencionalmente denominado de Modelo Diferencial, que são executados os processos de diagnóstico, alimentando o Modelo Pedagógico acerca da performance do usuário em questão.

O módulo de Interface realiza o intercâmbio de informações entre o sistema, o instrutor e o aprendiz. Ele apresenta material apropriado ao nível de entendimento do aprendiz e mantém a coerência nas explicações.
 
 

C. Motivação e Aplicação de Novos Recursos

Evidências já pesquisadas sugerem que a informação aprendida é armazenada por mais tempo se o aluno é um participante ativo do processo de aprendizado e se a apresentação envolve muitos dos sentidos do aluno. Um estudo relata que as pessoas retém aproximadamente 25% daquilo que ouvem, 45% daquilo que vêem e ouvem e 70% daquilo vêem, ouvem e fazem (Schank, 1994).

A avaliação do uso dos ITS mostra que os estudantes progridem para níveis superiores em um terço do tempo utilizado com a metodologia de instrução convencional. Além disso, estudantes usando estes sistemas apresentam 40% de aumento no seu desempenho em relação à instrução em sala de aula. Este sucesso é demonstrado principalmente em cursos militares, escolas e universidades (Schank, 1994).

Estes avanços de aprendizado são possíveis porque os ITS podem desenvolver relações sobre o problema sendo resolvido e fazer inferências sobre o aprendizado do estudante num nível de detalhamento baseado nos modelos em execução.
 
 

C.1. Multimídia

Os números citados evidenciam a necessidade da aplicação de recursos multimídia na criação de tutores inteligentes que buscam eficiência no processo de treinamento. A incorporação da multimídia ao ITS oferece o potencial de se desenvolver sistemas inteligentes que podem instruir e demonstrar usando imagens, sons, animação e vídeo.

O fascínio inerente da multimídia, exercido pelo movimento e ação que se obtém através da conjugação das imagens, sons e manipulações gráficas, vêm contribuindo para uma decisiva desmistificação e maior participação na elaboração de novas soluções educacionais (Schultz, 1992) (Woolf, 1995).

É importante evidenciar que apesar da multimídia estar em discussão a muito tempo, passou a ser viável a partir do momento em que os computadores pessoais passaram a ter poder de processamento suficiente para suportar os requisitos exigidos, a tal ponto que atualmente um equipamento convencional novo já vem adaptado para multimídia.
 
 

C.2. Hipertexto e Hipermídia

Outro recurso que vem se somar às potencialidades dos tutores inteligentes é a utilização de navegação via hipertexto (Martin, 1992).

O hipertexto apresenta-se como uma técnica de navegação não-linear, onde o usuário dispõem de flexibilidade para determinar o fluxo de apresentação das informações, não vinculado a uma cadeia seqüencial de conteúdos que foram hierarquicamente construídos (Martin, 1992).

Como constatação dos resultados que podem ser obtidos aplicando-se hipertextos basta verificar o sucesso do estilo de navegação aplicado na World Wide Web, que fez com que a Internet se popularizasse rapidamente e que os browsers se tornassem ferramentas comuns e amigáveis ao usuário leigo.

A hipermídia é uma extensão do hipertexto, que permite a incorporação dos recursos da multimídia como objetos ativos na rede de navegação.

Uma rede hipermídia aplicada na construção de ITS permite a navegação entre as diversas páginas que compõem o tutor através de links - objetos identificados visualmente pelo usuário - que configuram os caminhos não lineares de conexão da rede.
 
 

D. Modelo Proposto

A Figura 3 mostra um diagrama de blocos para o sistema desenvolvido. Nele é possível identificar o Módulo de Autoria, que possui um Editor de Páginas e Recursos através do qual o Autor/Instrutor elabora sua aplicação ITS, e o Módulo de Treinamento, responsável pela execução da aplicação gerada no contexto da navegação ativa e monitorada do Usuário/Aprendiz.

O Módulo de Autoria interage diretamente com o autor - que normalmente é o instrutor responsável no domínio da aplicação, na montagem da aplicação ITS. Este processo consiste em descrever as redes de hipermídia e de conhecimento, determinando os relacionamentos entre os tópicos, sua disposição, quais arquivos serão necessários para geração do ITS e outros dados relevantes.

A montagem da aplicação ITS envolve também a especificação dos métodos de avaliação que perfazem o acompanhamento do aprendiz e determinam o monitoramento da navegação durante o treinamento dinamicamente reposicionado (Computer Coaching (Burton, 1982)). Esta é a parte do Modelo Pedagógico construída no Módulo de Autoria.

O Módulo de Treinamento é formado pelo Modelo do Aprendiz e pela parte do Módulo Pedagógico responsável pelo acompanhamento das atividades instrucionais do usuário.

Figura 3 - Arquitetura desenvolvida


A Interface envolve um editor MDI (Multiple Document Interface) para páginas hipermídia, seus recursos de multimídia e de avaliação, no processo de autoria de uma aplicação ITS. Envolve também um navegador hipermídia com suporte a tais recursos que perfaz o cenário de aprendizagem na interação com o aprendiz.
 
 

D.1. Módulo de Autoria

O Autor/Instrutor deve determinar quais os principais aspectos que deverão ser dominados pelo aprendiz para que ele atinja um nível considerado aceitável na prática da habilidade de domínio da aplicação ITS desejada. Cada aspecto deve possuir uma definição textual, denominada Conceito, e um ou mais Exemplos. Os aspectos selecionados pelo Autor serão apresentados ao aprendiz na forma de Tópicos - entidade conceitual que abriga a página hipermídia com seus recursos. O Conceito é uma abstração defina textualmente enquanto o Exemplo é uma realização concreta baseada em um dos recursos multimídia disponíveis.

Cada tópico pode conter informações sobre um ou mais aspectos. Entre eles também poderão ocorrer relações do tipo "é-um" e "causa-e-efeito", entre outras. A ordem em que os tópicos serão apresentados ao aprendiz será baseada na navegação não-linear que este faz sobre a rede hipermídia composta pela ligação dos tópicos através dos links.
 
 

São disponibilizados dois tipos básicos de links:
 

Uma rede semântica é construída na medida que o instrutor monta uma seqüência de tópicos na aplicação, ela é a realização conceitual da rede hipermídia com relações de transição nos links. Os Conceitos devem ser definidos textualmente e podem conter links para outros tópicos. Os Exemplos serão exibidos através dos Recursos de Multimídia disponíveis no Sistema.

A transição entre tópicos pode ter restrições, na forma de pesos. Isto significa que o instrutor pode impor condições mínimas para que o aprendiz acesse um certo tópico. O controle do acesso aos tópicos durante um treinamento é feito com a habilitação ou não dos links, de acordo com o Modelo do Aprendiz. O gerenciamento das habilitações é feito pelo Módulo Pedagógico.
 
 

D.2. Módulo de Treinamento

Para que o treinamento seja possível, é necessário em primeiro lugar possuir um Modelo do Aprendiz. Ele é representado em função da rede semântica definida paralelamente à montagem da aplicação ITS. Assim o mapeamento do conhecimento é feito diretamente por recobrimento entre a rede hipermídia e de conhecimento com o Modelo do Aprendiz.

Em segundo lugar, é preciso ter mecanismos de avaliação do Aprendiz. Novamente, o Instrutor deve definir em quais pontos da rede hipermídia o Aprendiz será avaliado. A medida da exatidão da resposta do aprendiz é feita através de um Modelo Diferencial, que compara o conhecimento do Instrutor com o do aprendiz.

A referência para esta tarefa é a rede de conhecimento. Neste ponto surge a necessidade de que o instrutor mostre ao Sistema, através do mesmo Recurso de Entrada empregado na avaliação, qual a resposta adequada. Assim, a resposta do aprendiz será comparada à resposta do instrutor.

De forma a aumentar a flexibilidade e adaptar o sistema a domínios onde se exige o tratamento de conhecimentos imprecisos, inexatos ou incertos, adotou-se um Modelo Diferencial baseado em diversos níveis de acerto, fundamentado em lógica difusa (Gisolfi, 1992).
 

Além dos recursos mencionados, são incluídas as seguintes funcionalidades:
 

D.3. Aplicação ITS Gerada

No sistema a aplicação do ITS gerado é definida como a execução completa de um Módulo de Treinamento e seu objetivo é fazer com que o aprendiz desenvolva ou aprimore uma certa habilidade, através do exercício em situações variadas.

Para que o ITS tenha boa receptividade das suas instruções, ele deve seguir alguns princípios (Schank, 1994), que ficam ao encargo do Autor/Instrutor, pois ele é responsável direto pelo tutor gerado, como conseqüência da rede hipermídia e de conhecimentos especificada no Módulo de Autoria. Alguns princípios relevantes são:
 

D.4. O protótipo

O protótipo do IAS, com a arquitetura apresentada, está com seu Módulo de Autoria e Treinamento implementado para o ambiente operacional Windows 95, desenvolvido em Delphi 2.0 e em fase de validação e refinamento.

O projeto ora implementado contempla as características básicas mencionadas neste artigo e está se buscando o aprimoramento das técnicas e estratégias de ensino [AÏM95], modelo de navegação hipermídia, interface multimídia intuitiva, mapeamento da curva de aprendizagem do usuário e avaliação dinâmica do comportamento ativo do aprendiz.
 

Considerações Finais

Uma aplicação ITS gerada através do sistema apresentado fornece ao aluno um ambiente de instrução individualizado, processo educacional cuja eficiência é comprovadamente alta (Kaplan, 1995). Especificamente, a instrução individualizada por computador (Schank, 1994):
 

Mediante a realidade emergente da Informática aplicada à Educação, vale ressaltar que uma modificação nos padrões vigentes está e continuará se processando, pois é preciso atender às necessidades da sociedade contemporânea e junto a ela manter um processo dinâmico e contínuo de atualização.
 

Neste sentido são interessantes as seguintes observações (Eberspächer, 1996), que merecem uma ponderação:
 


Referências
 
 

AÏMER, Esma; FRASSON, Claude e ALEXE, Carme. Towards New Learning Strategies in Intelligent Tutoring Systems. Université de Montréal, 1995.

BEGG, Iain M. e HOGG, Ian. Authoring Systems for ICAI. Em KEARSLEY, G. P. (Editor), Artificial Intelligence & Instruction. Addison Wesley, 1987.

BURTON, R. e BROWN, J. S. An Investigation of computer coaching for informal learning ativities. Em SLEEMAN, D, e BROWN, J. S (Editores), Intelligent Tutoring Systems. New York, Academic Press, 1982.

EBERSPÄCHER, Henri F. Palestra sobre Novas Tendências da Informática na Educação. Curitiba, 1996.

FEIGENBAUM , E. A. e BARR, A. Applications-Oriented, AI Research: Education. Em The Handbook of Artificial Intelligence - Capítulo IX. Los Altos, CA. William Kaufmann, 1982.

GISOLFI, Antonio; DATTOLO, Antonina; BALZANO, Walter. A Fuzzy Approach to Student Modeling. Università degli Studi di Salerno. Computers Educ. Vol 19, No. 4, 1992.

KAPLAN, Randy e ROCK, Denny. New Directions for Intelligent Tutoring Systems. AI Expert - February, 1995.

KEARSLEY, Greg. Artificial Intelligence and Instruction, Applications and Methods. Addison Wesley, 1987.

MARTIN, J. Hiperdocumentos e como Criá-los. Rio de Janeiro, Campus, 1992.

RICH, Elaine. Inteligência Artificial. São Paulo, McGraw-Hill, 1988.

RICKEL, Jeff W. Intelligent Computer-Aided Instruction: A Survey Organized Around System Components. IEEE Transactions on Systems and Cybernetics, Vol. 19, No. 1, 1989.

Schank, Roger C. Active Learning through Multimedia. Northwestern Universty - Multimedia IEEE - Spring 1994 - Vol. 1 - No. 1.

SHULTZ, Steven. High Marks for Multimedia. Computer Graphics World, Julho, 1992.

WOOLF, Beverly Park e HALL, Wendy. Multimedia Pedagogues - Interactive Systems for Teaching and Learning. IEEE Computer - May 1995.