Robótica como Elemento Motivacional para Atração de Novos Alunos para Cursos de Computação

Fabiane Barreto Vavassori Benitti1,3, Matheus Luan Krueger1, Diego Leonardo Urban1 e Nayane Thais Krespi2

1 Departamento de Sistemas e Computação

2 Departamento de Matemática Universidade Regional de Blumenau (FURB) – Blumenau/SC, Brazil

3 Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada Universidade do Vale do Itajaí (UNIVALI) – Itajaí/SC, Brazil

fabiane@furb.br, {mkrueger, durban}@inf.furb.br,

nayanethais@hotmail.com

Abstract. This paper presents a Brazilian initiative in which the objective is to attract (or stimulate) students to course in computer area through robotics. To illustrate the problem are exposed data related to the situation of disinterest in technological areas, as well as some initiatives demonstrating various applications of robotics as a tool to assist in the increased interest in areas related to technology. The paper shows the RoboLab project presenting the infrastructure, methodology, experiments and results obtained so far.

Keywords: educational robotics, computing courses

Resumo: Este artigo apresenta uma iniciativa Brasileira na qual objetiva-se estimular e/ou despertar o interesse dos alunos pelos cursos da computação através da robótica educacional. Para melhor visualização do problema, são expostos dados relacionados à situação de evasão/desinteresse pelas áreas tecnológicas, como também algumas iniciativas demonstrando diversas aplicações da robótica como instrumento capaz de auxiliar no aumento do interesse pelas áreas relacionadas a tecnologia. O artigo apresenta o projeto RoboLab destacando a infra-estrutura, metodologia, experimentos e resultados obtidos até o momento.

Palavras-chave: robótica educacional, cursos de computação

1 Introdução

Atualmente, a sociedade está em um caminho que depende cada vez mais do desenvolvimento e manutenção de software. No entanto, Vegso [1] aponta para o declínio significativo do interesse dos estudantes pelo curso de Ciência da Computação. Segundo Vegso [1], a procura diminuiu mais de 60% entre 2000 e 2004 nos EUA. A Figura 1 ilustra os interesses de estudantes por diferentes áreas no

período de 1971 a 2004 nos EUA demonstrando esta queda e a baixa procura da área em relação às alternativas.

Figura 1. Mudança de interesse de acordo com as áreas do conhecimento.

O crescente desinteresse por cursos de computação e as taxas de evasão nos cursos superiores do Brasil não diferem muito das médias internacionais, sendo que a área da Ciência, Matemática e Computação possui uma taxa evasiva consideravelmente acima da nacional [2], [3]. A Figura 2 ilustra o índice candidato x vaga de 3 importantes universidades na área de computação [4], [5] e [6], demonstrando assim a redução dos candidatos para o curso de Ciência da Computação dessas Universidades Brasileiras no período de 1999 a 2009.

Figura 2. Demana de Candidados/Vaga do Curso de Ciência da Computação (1999 – 2009).

A redução constante no interesse pelos cursos de computação vem sendo um tema

de discussão ao longo dos anos. Trabalhos como SBC [7] e Schetinger, Gottin e

Pozzer [3] vêm lidando com esse problema através de palestras, painéis e cursos para a comunidade, com o objetivo de apresentar e esclarecer ao futuro aluno os conteúdos abordados e os requisitos de um profissional da computação.

A iniciativa proposta pelo projeto Robolab, abordada nesse artigo, vem alinhada com outros projetos envolvendo a robótica, os quais são apresentados e discutidos. Em seguida as atividades desenvolvidas no projeto são detalhadas e, por fim, são expostos os resultados obtidos até o momento.

2 Trabalhos Correlatos

Várias iniciativas vêm surgindo, principalmente por universidades americanas, visando atrair alunos do ensino básico às chamadas áreas STEM (Science, Technology, Engineering and Math). Procurando reverter o quadro de desinteresse, algumas universidades estão “apostando” na utilização da Robótica como ferramenta motivacional, conforme pode ser observado na Tabela 1.

Tabela 1. Iniciativas que empregam a robótica como ferramenta motivacional para área tecnológica.

Artigo País Iniciativa Resultados Henkel et al. [8] EUA Oferece um curso de robótica

autônoma baseada em Java, que foi desenvolvido para ensinar estudantes do ensino médio conceitos fundamentais da Ciência da Computação durante um tempo limitado.

Ambos os resultados, quantitativos e qualitativos, têm indicado um ganho de conhecimento significativo, como também o interesse contínuo no campo da Ciência da Computação e uma grande dose de entusiasmo por parte dos alunos que participaram do programa.

Lau et al. [9] China Organizar um curso focado em programação de wearable computers (computadores que são usados no corpo), moda e design para estudantes do ensino fundamental (5ª a 8ª série).

Através das avaliações e feedbacks dos alunos e instrutores, os autores confirmaram que: (1) wearable computing são excitantes e inspiradores para os alunos, (2) wearable computing motiva os meninos e as meninas a aprender sobre tecnologia e informática, tendo potencial para aumentar a população da ciência da computação, (3) wearable computing pode proporcionar um espaço para que os alunos possam exercitar sua criatividade e, ao mesmo tempo, aprender sobre tecnologia e programação.

Buckhaults [10] EUA Apresenta um projeto, denominado Através do aumento de

FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology), o qual constitui em uma competição internacional de robótica destinada a inspirar os alunos do ensino médio a seguirem carreiras em ciência e tecnologia. Através de um desafio realizado anualmente, os alunos (em equipe) projetam robôs para competir com outras equipes de todo mundo.

participantes no projeto (FIRST) o autor espera que mais pessoas sigam carreiras em ciência da computação. “Esses possíveis alunos do curso de ciência da computação além de possuírem experiência no mundo da programação, estarão menos sujeitos a interrupção do curso, devido a curva de aprendizagem íngreme.”

Stubbs e Yanco [11]

EUA Apresenta um conjunto de tecnologias que os professores do ensino básico poderiam escolher e adaptá-las em sua sala de aula, fornecer informações a respeito das carreias na área da robótica, e construir uma comunidade de professores que utilizem a robótica em suas salas de aula. Para demonstrar como os robôs podem ser utilizados como uma ferramenta pedagógica para ensinar matérias do currículo STEM, foi realizada uma oficina dividida em quatro sessões, cada uma representando uma disciplina da sigla STEM: ciência, tecnologia, engenharia e matemática.

Com a experiência os autores acreditam que o conjunto de tecnologias ensinadas aos professores permite que estes empreguem com facilidade a robótica em sala de aula e, desta forma, despertem o interesse dos alunos pelas carreiras tecnológicas.

Cada um dos trabalhos citados utiliza uma abordagem diferente de ensino, no

entanto, possuem o objetivo comum de utilizar a Robótica como instrumento que pode despertar o interesse pela área tecnológica. A proposta de Henkel et al. [8] enfatiza a orientação a objetos através de programação de comportamentos de robôs autônomos para alunos do ensino médio em um curso de 5 dias. Este curso aborda a linguagem Java e utiliza o Robô Intellibrain (desenvolvido pela Ridgesoft [12]). Já Lau et al. [9] não utiliza robôs em sua abordagem, propondo o uso de wearable computers para ensinar circuitos elétricos e programação envolvendo sensores em um curso de 5 dias. O projeto FIRST ([10]), ao invés de possuir o formato de curso, propõe um campeonato de robótica entre alunos do ensino médio, utilizando o ambiente simulado Microsoft Robotics Developer Studio, pertencente à Microsoft [13]. Stubbs e Yanco [11] realizam oficinas (de 4 dias) para ensinar robótica utilizando o kit Lego Mindstorm, no entanto, possui uma abordagem distinta dos demais projetos por ser destinada a professores do ensino básico, considerando que estes atuarão como disseminadores da tecnologia em suas salas de aula.

3 Projeto Robolab

Como pode ser observado nas iniciativas descritas anteriormente, as abordagens para a utilização da robótica junto ao ensino básico são bem distintas, tanto

considerando seu formato (encontrando-se cursos e campeonatos) e público-alvo (nível de ensino envolvido e focado em alunos ou professores), quanto na tecnologia abordada. No entanto, a Tabela 1 demonstra que todas as iniciativas possuem resultados positivos e animadores quanto ao potencial da robótica como instrumento motivacional para atrair alunos às áreas tecnológicas.

O projeto RoboLab está alinhado às iniciativas apresentadas no aspecto de contribuir para o incremento de estudantes na área tecnológica. No entanto, apresenta uma abordagem diferenciada no que tange as tecnologias adotadas e metodologia de ensino.

O Robolab é um Laboratório de Robótica Educativa do Departamento de Sistemas e Computação da Universidade Regional de Blumenau que propicia aos alunos o conhecimento científico-tecnológico através de oficinas de robótica, sendo diretamente voltado para alunos e professores das escolas de ensino fundamental e médio. Conforme pode ser visualizado na Figura 3, o laboratório constitui em um ambiente com 9 computadores para a realização de oficinas, 9 kits Lego Mindstorms NXT, uma lousa digital e uma maquete 2,5m x 1,5m onde são realizados os experimentos.

Figura 3. RoboLab – Laboratório de Robótica Educativa.

3.1 Material e Tecnologia

Para a utilização da robótica como prática pedagógica através da realização de oficinas, se fazem necessários vários elementos e, dentre os principais, destacam-se: (i) kit de montagem de robôs; e (ii) ambiente de programação de robôs. No contexto do RoboLab, ambos os elementos são, respectivamente, Lego Mindstorms NXT e Robomind.

Lego Mindstorms NXT é um kit de robótica composto por um conjunto de peças, atuadores, sensores, cabos de comunicação e um computador, denominado brick [14]. Através desse kit é possível a montagem de diversos tipos de robôs, com as mais variadas funcionalidades. A Figura 4a ilustra um tipo particular de robô, o qual consegue deslocar determinados objetos de uma posição a outra.

Halma [15] define o Robomind como um ambiente de programação de robôs, ilustrado na Figura 4b, o qual oferece uma linguagem de programação simples para a movimentação de um robô e tudo que é preciso para escrever, testar e executar os programas. O ambiente permite a simulação e acompanhamento das tarefas do robô. Uma diversidade de exercícios pode ser resolvida com ele, com vários níveis de dificuldade, proporcionando uma ótima introdução de automação e programação para alunos em geral. No contexto do projeto Robolab algumas modificações no código fonte do programa Robomind foram realizadas, as quais corrigiram erros e possibilitaram a criação de plugins, permitindo que novos recursos possam ser adicionados ao programa. RobolabFURB foi um plugin desenvolvido pelo Robolab para permitir a integração do ambiente com os robôs Lego e a ampliação dos comandos disponíveis no ambiente Robomind.

(a) (b)

Figura 4. (a) Robô Pegador – Kit Lego NXT Mindstorms (b) Robomind.

Sua linguagem, ilustrada no exemplo de código abaixo, é composta por comandos relacionados à movimentação do robô (andarFrente(n), virarDireita(), virarEsquerda(), andarNorte(n), andarSul(n), andarOeste(n), andarLeste(n)), percepção do seu ambiente (temObstáculoFrente(), temObjetoEsquerda(), vazioDireita(), brancoFrente(), pretoEsquerda()), ações adicionais (pegar(), soltar(), pintarPreto(), pintarBranco(), pararPintar()), e também algumas estruturas de programação de alto nível (se(condição) {}; se(condição) {} senão {}; repetir() {}; repetir(n) {}; repetirEnquanto(condição) {}). O programa feito com essa linguagem

do Robomind é convertido e transferido ao robô Lego através do plugin desenvolvido pela equipe do projeto.

Exemplo de um programa do ambiente de programação de robôs Robomind.

# movimentar um objeto, caso este exista, 5 quadrad os # para a direita do robô. se(temObjetoFrente()) {

pegar() virarDireita() andarFrente(5) soltar()

}

3.2 Metodologia adotada nas oficinas

Até agora, a maioria das aplicações da robótica para educação centraram-se principalmente no apoio ao ensino de matérias que estão intimamente relacionados ao campo da robótica, como a programação de robôs, a construção do robô ou mecatrônica. Além disso, a maioria das aplicações tem utilizado o robô como um fim ou um instrumento passivo da atividade de aprendizagem, onde o robô foi construído ou programado [16]. Tal afirmação também pode ser observada nos projetos listados na Tabela 1, onde é possível observar que todos se restringem a conceitos diretamente relacionados com a robótica. Neste sentido, as oficinas ofertadas no RoboLab primam pelo seu caráter multidisciplinar, trabalhando com a robótica juntamente a diferentes conteúdos abordados no ensino básico e médio, ou seja, a robótica funciona como um instrumento motivador do ensino, sendo que a aprendizagem não fica restrita a robótica.

Tipicamente, uma oficina ocorre observando as seguintes atividades: 1. O objetivo da oficina e o roteiro de atividades são apresentados aos

participantes. 2. É realizada uma breve abordagem sobre os principais componentes (motores e

sensores) do kit de robótica e sua finalidade. 3. Em dupla, os participantes montam um robô (conforme apresentado na figura

4a), seguindo orientação de um tutorial. Havendo dificuldade são apoiados por monitores (bolsistas do projeto).

4. O professor apresenta o ambiente RoboMind e seu procedimento básico de operação, realizando algumas atividades em conjunto com a turma, visando a ambientação.

5. Uma lista de experimentos (detalhados abaixo) é entregue a cada participante. Para cada experimento, o participante inicialmente se dirige a maquete (apresentada na figura 3), para visualizar o ambiente de execução e elaborar uma estratégia de solução. Posteriormente, o participante programa e simula o comportamento do robô no RoboMind.

6. Ao obter o comportamento esperado no RoboMind, a programação é transferida para o robô (podendo contar com apoio dos monitores) e seu comportamento é visualizado no “mundo real”.

A abordagem proposta nas oficinas do RoboLab pode ser fundamentada na teoria da aprendizagem do construcionismo, o qual enfatiza o "aprender fazendo" como o aspecto fundamental da atividade de aprendizagem [17]. Pois a metodologia proposta, conforme Williams et al. [18], está ancorada na resolução de problemas, levando o participante a desenvolver a capacidade de elaborar hipóteses, investigar soluções, estabelecer relações e tirar conclusões (o que pode ser evidenciado nas etapas 5 e 6 descritas anteriormente). Ainda, as origens do construcionismo podem ser encontradas no grupo dirigido por Papert no MIT a partir dos anos 60 e que ficou bastante conhecido com a linguagem Logo. De fato, a linguagem utilizada pelo RoboMind (apresentada na seção 3.1) é fortemente inspirada no Logo.

Cada oficina aplica uma série de experimentos, os quais abordam assuntos que variam conforme o foco da oficina, tempo de duração e a escolaridade dos participantes, dentre os principais, cita-se: biologia, geografia, matemática, física, reciclagem e lógica. Ao total já foram produzidos vinte e oito (28) experimentos, os quais oito (8) são destinados ao ensino fundamental e vinte (20) ao ensino médio. A Tabela 2 apresenta quatro exemplos de experimentos realizados por alunos no Robolab.

Tabela 2. Experimentos Robolab.

Experimento para o Ensino Médio Conteúdo: Biologia / Cadeia Alimentar Maquete: Tablado com animais (cubos com imagens representativas) e indicadores de categorias de animais. Experimento: Em cada um dos ambientes da biosfera existe uma imensa variedade de seres vivos muito diferentes uns dos outros, porém com uma necessidade em comum: precisam se alimentar para viver. Essa necessidade forma a cadeia alimentar, que é uma sequência de animais/populações que se alimentam uns dos outros e divide-se nas seguintes categorias: Produtores – Consumidores – Decompositores. No mapa existe uma cadeia alimentar desordenada. Com o auxílio dos comandos contidos no quadro ao lado, você deve ajudar o robô Pegador a colocar os animais desta cadeia nos lugares corretos. Observação: o robô também faz parte da cadeia alimentar.

Comandos: andarNorte(n) andarSul(n) andarLeste(n) andarOeste(n) andarFrente(n) virarDireita() virarEsquerda() pegar() soltar()

Experimento para o Ensino Fundamental Conteúdo: Geografia / Pontos Cardeais e Mapa de Santa Catarina Maquete: Tablado com o mapa do estado de Santa Catarina. Experimento: O robô Voyager decidiu que irá visitar seus três parentes em Santa Catarina. Cada parente vive num extremo: Norte, Sul e Leste. Identifique as cidades listadas abaixo mais ao extremo e programe o robô para visitar cada uma

Comandos: andarNorte(n) andarSul(n) andarLeste(n)

dessas cidades e depois voltar para casa. Lembre-se que ele sairá de Blumenau. Joaçaba - Maravilha – Tubarão – Paraíso - Capão Alto – Canoinhas – Mafra - Taió

andarOeste(n)

Experimento para o Ensino Fundamental Conteúdo: Matemática / Operações Fundamentais: Adição, Subtração, Multiplicação e Divisão Maquete: Tablado com cálculos matemáticos incompletos e cubos com determinados valores (números ou operações). Experimento: O robô Pegador é um arqueólogo e numa de suas pesquisas acabou encontrado o antigo templo do Robols, um povo robô que viveu há muito tempo atrás. Acredita-se que este local possui um enigma que deve ser resolvido para encontrar a sala secreta escondida dentro do templo. Este enigma é formado por números e símbolos que devem ser colocados na posição correta para formar um cálculo matemático. Infelizmente há informações que estão faltando no enigma e você deve ajudar o Pegador a encontrar a sala secreta carregando as peças faltantes para o seu local correto.

Comandos: andarNorte(n) andarSul(n) andarLeste(n) andarOeste(n) andarFrente(n) virarDireita() virarEsquerda() pegar() soltar()

Experimento para o Ensino Fundamental Conteúdo: Reciclagem / Separação de Materiais Maquete: Tablado com várias lixeiras coloridas e cubos com imagens representativas de lixos mais comuns, como papel, vidro, metal e plástico. Experimento: O Brasil, em 2009, lidera pelo oitavo ano consecutivo a reciclagem de latas de alumínio para bebidas. Com o intuito de liderar novamente no ano de 2010, o país efetuou a compra de um robô que irá ajudar na separação do lixo e arrecadar o máximo possível de latas de alumínio. Porém, para que o robô funcione, é necessário fazer a sua correta programação. Com o auxílio dos comandos contidos no quadro ao lado, faça o robô Pegador separar corretamente os materiais que existem no mapa, levando cada lixo em sua respectiva lixeira. Lembre-se: cada cor de lixeira corresponde a um determinado tipo de lixo e que nem todo o lixo poderá ser reciclado.

Comandos: andarNorte(n) andarSul(n) andarLeste(n) andarOeste(n) andarFrente(n) virarDireita() virarEsquerda() pegar() soltar()

Como pode-se perceber na Tabela 2, os experimentos são criados de forma a

envolver não somente a robótica, mas esta como uma instrumento aplicado em desafios de diferentes áreas do conhecimento. Assim, uma vez apresentado o experimento na forma de um desafio ao participante da oficina, faz-se necessário montar adequadamente o robô, conhecer ou pesquisar sobre o conteúdo envolvido no experimento, traçar uma estratégia para resolver o desafio, programar o robô utilizando o RoboMind (onde a estratégia elaborada será simulada) e, em obtido sucesso na simulação, validar o resultado no “mundo real”. Neste sentido, destaca-se a importânica da maquete (descrita em cada experimento da Tabela 2) que representa no contexto dos experimentos o “mundo real”, sendo o local no qual os alunos interagem com o experimento, inicialmente visualizando os componentes do desafio e, posteriormente, colocando o robô para executar a solução programada.

Tendo em vista a dinâmica das oficinas e a quantidade restrita de material disponível, cada oficina ocorre com no máximo 12 participantes, possibilitando assim um maior aproveitamento de cada participante. O tempo de duração de cada oficina varia entre 4 a 9 horas divididos em dois dias. A variação de tempo ocorre em função

da quantidade e tipo de experimentos realizados. Trabalhos como Benitti et al. [19] e Krueger e Benitti [20] abordam com mais detalhes o funcionamento e os resultados das oficinas.

4 Resultados e Discussão

Este artigo abordou o problema da diminuição do índice candidato/vaga em cursos relacionados com a área tecnológica, com foco em especial para a computação. Neste sentido, é apresentada uma iniciativa da utilização da robótica como instrumento com potencial de despertar o interesse pela tecnologia. O uso da robótica para este fim não é inovador, como pode ser constatado em projeto correlados apresentados. No entanto, a proposta nesta artigo difere-se das abordagens já empregadas por já ter ofertado oficinas tanto para alunos quanto a professores. Outro diferencial refere-se ao ambiente de programação de robôs utilizado, o RoboMind, constituindo-se em um ambiente que tem se mostrado viável de ser utilizado por participantes a partir de oito anos de idades, ser de fácil aprendizado (normalmente uma explanação de trinta minutos já permite a programação simples de robôs) e permitir uma relação direta com estruturas básicas de programação de computadores, fornecendo a ponte para a computação. Ainda é importante destacar na abordagem proposta os experimentos realizados, os quais possuem como pano-de-fundo diferentes conteúdos, não restringido as oficinas ao aprendizado de robótica.

As oficinas do projeto RoboLab iniciaram no mês de fevereiro de dois mil e nove e, nestes dezesseis (16) meses de atividades já foram realizadas vinte e uma (21) oficinas, sendo que dez (10) destas tiveram como público-alvo professores e as outras onze (11) alunos do ensino fundamental e médio, atingindo um total de cento e cinqüenta e um (151) participantes, os quais setenta e três (73) eram professores e setenta e oito (78) alunos. No encerramento de cada oficina é realizado um questionário anônimo que nos possibilita validar e melhorar futuras oficinas, este varia de acordo com a categoria dos participantes, permitindo assim validar também a abordagem metodológica conforme a opinião dos professores. Constatou-se que dos setenta e oito alunos que participaram de alguma oficina, oitenta e um por cento (81%) classificou a oficina como ótima, dezoito por cento (18%) como boa, um por cento (1%) como regular e zero por cento (0%) como ruim. O cenário acaba sendo um pouco diferente quando os participantes são professores, sendo que noventa por cento (90%) classificaram a oficina como ótima, contra dez por cento (10%) que classificaram a oficina como boa. Para os professores também foi questionado a respeito da abordagem metodológica proposta para desenvolvimento do conteúdo, a qual obteve, dentro de um conjunto de 4 possibilidades (ótima, boa, regular e ruim), a seguinte porcentagem: oitenta e três por cento (83%) para ótima e dezessete por cento (17%) para boa.

Mesmo possuindo uma abordagem diferenciada das demais iniciativas apresentadas anteriormente, pode-se perceber que, conforme os dados expostos acima, existe uma grande aceitação da abordagem metodológica pelos professores das escolas (83% ótima).

Algumas oficinas tiveram como destinatários os alunos concluintes do ensino médio, os quais possivelmente adentrariam em uma Universidade. O objetivo dessas oficinas era despertar e/ou aumentar o interesse desses alunos pelos cursos da computação. Nessa primeira experiência, constatou-se que cerca de 6% dos alunos matriculados nos cursos da computação da Universidade Regional de Blumenau em 2010/1 realizaram alguma atividade do projeto, como pode ser visualizado com mais detalhes na Figura 5.

(a) (b)

(c)

Figura 5. Relação de Alunos Matriculados em 2010/1 que passaram pelo Robolab (a) Ciência da Computação; (b) Sistemas de Informação; (c) Geral.

Com base nas informações contidas na Figura 5, acredita-se que a robótica pode ser considerada uma iniciativa válida para o despertar e/ou aumento do interesse os alunos pelos cursos de computação. Presumi-se que a realização de um trabalho contínuo com os alunos envolvendo a robótica pode também possibilitar a diminuição da evasão nos cursos da computação, pois além de ser um instrumento que tem se mostrado eficiente para o ensino, possui um forte fator motivador.

Atualmente as atividades do laboratório estão focadas nos alunos do ensino fundamental e médio, pelos quais se permite a realização de um trabalho contínuo até a escolha do curso superior. Agradecimentos. Os autores agradecem ao financiamento recebido pelo MCT/CNPq no âmbito do edital de Difusão e Popularização da C&T.

Referências

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