Software Interativo para Ensino do Movimento de Água nos Solos - Delphi

DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE INTERATIVO PARA APOIAR O ENSINO DO MOVIMENTO DE ÁGUA NOS SOLOS Walcyr D Nascimento walcyrduarteigcombr Colégio Técnico Universitário Depto de Construções Civis Universidade Federal de Juiz de Fora Rua Bernardo Mascarenhas 1283 Fábrica CEP 36080001 Juiz de Fora MG Cláudio H C Silva silvacufvbr Paulo S Barbosa pbarbosaufvbr Dario C Lima declimaufvbr Programa de PósGraduação em Engenharia Civil Universidade Federal de Viçosa Campus Universitário CEP 36570 000 Viçosa MG Márcio Marangon marciomarangonufjfedubr Faculdade de Engenharia Depto de Transportes Universidade Federal de Juiz de Fora Campus Universitário CEP 36036330 Juiz de Fora MG Resumo Este trabalho apresenta um software baseado em ferramentas interativas virtuais de ensino e aprendizagem os chamados objetos educacionais desenvolvido com a intenção de auxiliar os estudantes no aprendizado de conceitos e princípios relacionados ao movimento de água nos solos Foi utilizada a linguagem de programação orientada Delphi devido às facilidades da interface gráfica o que permitiu o desenvolvimento de programas bem criativos Pretendese também disponibilizar estas ferramentas interativas para a comunidade acadêmica envolvida com o ensino de engenharia facilitando o seu reaproveitamento como código livre além de difundir seu uso e permitir novas implementações Têmse dedicado esforços na idealização e implementação de um conjunto de objetos educacionais para o ensino de Mecânica dos Solos em particular para o movimento de água nos solos Este tema foi escolhido devido principalmente às dificuldades de aprendizado verificado nos alunos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa A estratégia adotada foi focada na interação com o usuário onde o estudante pode digitar suas respostas numa planilha eletrônica e conferir os resultados de imediato Este trabalho também corroborou na formação de uma equipe de programadores de objetos educacionais os chamados multiplicadores aptos a desenvolver as ferramentas interativas dedicadas a difundir o seu uso e disponibilizálas à comunidade acadêmica para apoio às atividades de ensino e aprendizagem de Mecânica dos Solos e áreas afins Alunos da graduação das engenharias civil e ambiental experimentaram e avaliaram a qualidade do software Os resultados indicam que o uso do software educacional mostrouse eficiente PalavrasChave Mecânica dos solos permeabilidade software educacional interação qualidade 1 INTRODUÇÃO As ferramentas interativas virtuais de ensino e aprendizagem cada vez mais vêm sendo desenvolvidas com a intenção de dar suporte e auxiliar os estudantes no aprendizado de conceitos e princípios sobre os diversos temas científicos PASSOS 2003 Essas ferramentas ou objetos educacionais GAMA e SCHEER 2004 podem favorecer o processo de ensinoaprendizagem por se apresentar como um ambiente que motiva sua exploração O uso deste ambiente é propício à criação de situações de aprendizagem que estimulam a formação de estudantes críticos e capazes de tomar decisões A criação de objetos educacionais de qualidade pode romper a dicotomia existente na educação formal ao aproximar alunos e professores E a busca pela qualidade é uma área de pesquisa relevante uma vez que a baixa qualidade dessas ferramentas educacionais implica em sérios danos ao usuário Para a elaboração deste trabalho foi utilizada a linguagem de programação orientada a objeto Delphi CORNELL e STRAIN 1995 Ela é adequada para esse propósito pois além de permitir a criação de programas criativos ela é uma linguagem gráfica muito simples de ser aprendida utiliza a linguagem Pascal como pano de fundo Pretendese também disponibilizar estas ferramentas interativas para a comunidade acadêmica envolvida com o ensino de engenharia facilitando o seu reaproveitamento como código livre além de difundir seu uso e permitir novas implementações Os esforços têm sido na idealização e implementação de um conjunto de objetos educacionais para a geotecnia em particular para o movimento da água nos solos cargas hidráulicas Lei de Darcy permeâmetros e condutividade hidráulica Este tema foi escolhido devido principalmente às dificuldades de aprendizado verificado nos alunos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa A estratégia adotada foi focada na interação com o usuário onde o estudante pode digitar suas respostas numa planilha eletrônica e conferir os resultados de imediato Este trabalho também corroborou na formação de uma equipe de programadores de objetos educacionais os chamados multiplicadores aptos a desenvolver as ferramentas interativas dedicadas a difundir o seu uso e disponibilizálas à comunidade acadêmica para apoio às atividades de ensino e aprendizagem de Mecânica dos Solos e áreas afins Alunos da graduação das engenharias civil e ambiental experimentaram e avaliaram a qualidade do software Os resultados indicam que o uso do software educacional mostrouse eficiente 2 OS OBJETOS EDUCACIONAIS IMPLEMENTADOS Para a implementação desta pesquisa foi criado e implementado um conjunto de objetos educacionais para o ensino do Movimento de Água nos Solos cargas hidráulicas lei de Darcy permeâmetros e condutividade hidráulica Os objetos foram separados em 2 temas cargas hidráulicas e permeabilidade dos solos conforme apresentado na Figura 1 Esta figura ilustra a janela principal do software que dá acesso aos dois temas e a uma verificação de aprendizagem eletrônica Cada tema está relacionado a uma janela conforme apresentado na Figura 2 Basta um clique na opção desejada para que o usuário possa acessar novas janelas O módulo referente a Cargas Hidráulicas contém conceitos teóricos definições exemplos e problemas interativos ou objetos educacionais Seu propósito é auxiliar o cálculo das cargas hidráulicas de elevação piezométrica e total utilizando a Lei de Bernoulli para resolver problemas baseados em modelos representados por permeâmetros O módulo referente a Permeabilidade dos Solos possui a mesma estruturação do anterior Seu propósito é auxiliar o cálculo da vazão do gradiente hidráulico e da condutividade hidráulica em problemas de fluxo de água através de solos representados por permeâmetros simulando situações reais da geotecnia As Figuras 3 e 5 apresentam os objetos educacionais sobre Cargas Hidráulicas e Permeabilidade respectivamente As Figuras 4 e 6 apresentam os detalhes de dois exercícios interativos implementados Figura 1 Janela principal dos Objetos Educacionais Figura 2 Janelas referentes a Cargas Hidráulicas e a Permeabilidade dos Solos Figura 3 Janela de acesso aos objetos educacionais exercícios interativos sobre Cargas Hidráulicas Figura 4 Detalhes de interatividade de um objeto educacional sobre Cargas Hidráulicas Figura 5 Janela de acesso aos objetos educacionais exercícios interativos sobre Permeabilidade dos Solos Figura 6 Problema geotécnico de fluxo de água através do solo Cada módulo contém seis exercícios interativos e o grau de dificuldade vai crescendo a medida que o usuário avança nas resoluções De um modo geral um exercício interativo ou objeto educacional apresenta o enunciado do problema a ilustração um vínculo para a dica e três botões de eventos Prosseguir para iniciar a solução do problema Calculadora para chamar a calculadora do Windows e Voltar para retornar á tema principal Ao clicar no botão Prosseguir o programa avança passo a passo aguardando que o usuário digite o dado correto na caixa de texto adequada e clique no botão Avaliar O programa avança para a próxima pergunta somente se a resposta estiver correta e apresenta a resposta OK Caso contrário a resposta ERRO aparece e o usuário deverá refazer seus cálculos Todas as caixas de texto apresentam uma sugestão para orientar a tomada de decisão do usuário 3 METODOLOGIA ADOTADA A criação dos objetos educacionais baseouse nos seguintes referenciais teóricos nos cenários das teorias de aprendizagem construtivista e cognitivista ajustadas ao ensino assistido BARBOSA 2002 e SANTOS 2002 no guia proposto por BLOOM 1974 para atingir os objetivos instrucionais nas técnicas de ensino efetivo segundo FELDER 1999 para abranger os perfis de aprendizagem bem como no Cone de Aprendizagem DALE 1969 para acesso a memória longa A implementação deste trabalho foi segundo as três etapas descritas a seguir 1ª Etapa Desenvolvimento 1 Identificação dos temas de maior dificuldade de aprendizagem para os alunos Foi feita a análise estatística do resultado das provas aplicadas nas turmas de Mecânica dos Solos 1 da engenharia civil da UFV nos anos de 2006 e 2007 A esta análise somaramse as observações realizadas pelo professor Paulo Barbosa em sala de aula e foi concluído que o tema sobre Movimento de Água nos Solos seria o primeiro tema a ser trabalhado por este projeto de pesquisa 2 Montagem e treinamento de uma equipe para desenvolver objetos educacionais No início foi realizado um treinamento a distância via MSN com dois alunos estagiários voluntários para que estes pudessem aprender a utilizar a linguagem de programação orientada a objeto Delphi e aplicála na produção de objetos educacionais Atualmente existem nove estagiários voluntários envolvidos na pesquisa 3 Criação e implementação de objetos educacionais referentes ao tema escolhido no item 1 desta etapa Foram elaborados dezenas de objetos educacionais de forma totalmente independente entre si e à medida que eles foram sendo testados foram se criando uma padronização de layout objetos eventos e interatividade 4 Montagem de um teste de verificação de aprendizagem com base nos referenciais teóricos da educação e da tecnologia e capaz de aferir o rendimento do usuário 5 Montagem de um modelo de avaliação capaz de apontar as qualidades e defeitos do software tanto na parte de conteúdo confiabilidade educacional quanto na parte computacional usabilidade 2ª Etapa Aplicação 6 Aplicação da Aula Tradicional normalmente uma aula tradicional sobre o tema Movimento da Água no Solo para o Curso de Mecânica dos Solos 1 tem duração média de 3 horas 7 Aplicação da Avaliação Diagnóstica nos alunos Após a aula tradicional aplicase uma avaliação diagnóstica realizada no papel com duração média de 15 minutos para verificar o que foi aprendido sobre o tema considerando apenas o conteúdo da aula tradicional 8 Uso do Software Educacional pelos alunos Após a realização da avaliação diagnóstica os alunos utilizam o software educacional por um período de tempo em torno de 1 h e 25 min 9 Aplicação da Avaliação Formativa nos alunos Após o uso do software educacional aplica se a avaliação formativa realizada eletronicamente com duração média de 15 minutos para verificar o que foi aprendido sobre o tema com o auxílio da ferramenta interativa 10 Aplicação da Avaliação Qualitativa Após a avaliação formativa os alunos respondem a um questionário qualitativo com duração média de 5 minutos para avaliar a usabilidade do software e a sua confiabilidade educacional 3ª Etapa Análise 11 Os resultados das avaliações diagnóstica e formativa são comparados 12 As avaliações qualitativas realizadas pelos usuários são ponderadas 13 Conclusões das análises dos tópicos 11 e 12 4 APLICAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Foi feita uma experimentação conforme descrito na segunda etapa da metodologia adotada na qual cada usuário foi avaliado de duas maneiras distintas A primeira segundo técnicas de ensino tradicional e a segunda após utilizar o software educacional Este processo de reaplicação também denominado de Repetição do mesmo teste teve o propósito de medir as influências do software como fator interveniente Assim caso haja progressos significativos o experimento possa ser indicado como uma boa fonte provocadora de conhecimento O teste de verificação de conhecimento foi montado com duas questões de cálculo totalizando 16 itens e dez questões teóricas sendo nove de múltipla escolha e uma do tipo FalsoVerdadeiro com oito itens Por uma questão de ordem até o final deste trabalho as questões de cálculo serão referenciadas simplesmente como parte prática Somado os itens das partes prática 16 e teórica 98 foram analisados um total de 33 itens respondidos pelos usuários Para fins de avaliação cada item teve o mesmo peso Assim um aluno que acerta oito itens práticos e oito teóricos terá um rendimento global de 8810033 49 um rendimento de 50 na parte prática 810016 e um rendimento de 47 na parte teórica 810017 O procedimento foi aplicado em quatro situações distintas 1ª Em 13 alunos da Engenharia Civil da UFV da turma de Mecânica dos Solos 1 do segundo semestre de 2007 2ª Em 44 alunos da Engenharia Civil da UFV da turma Mecânica dos Solos 1 do primeiro semestre de 2008 Esta turma foi dividida em 4 grupos 3ª Em duas turmas de Mecânica dos Solos 2 da Engenharia Civil da UFJF do primeiro semestre de 2008 com 21 e 15 alunos respectivamente 4ª Em 38 alunos da turma de Mecânica dos Solos do curso de Engenharia Ambiental da UFV Os alunos da ambiental utilizaram o software de forma cooperativa isto é o professor projetou o software e toda a turma participou da construção da solução dos exercícios A única exceção ocorreu nessa turma porque eles realizaram apenas uma avaliação no final dos trabalhos Os resultados quantitativos da aplicação do software para as quatro situações acima descritas foram bastante animadores conforme pode ser observado na Tabela 1 pois o software se mostrou eficiente em todas as situações de uso Para fins desta pesquisa considerouse que uma situação é eficiente quando a nota da avaliação formativa nota eletrônica for maior do que a nota da avaliação diagnóstica via prova escrita Tabela 1 Resumo geral dos resultados da aplicação do experimento Avaliação Diagnostica no papel antes do uso do software Apenas com a aplicação da aula teórica dada pelo professor da disciplina podese ressaltar que os alunos absorveram bem a parte teórica do assunto mas deixaram a desejar na parte prática A primeira questão prática foi considerada relativamente difícil pelos alunos e a segunda questão como difícil O que anotamos de relevante foi a o tempo de 15 minutos para a resolução desta avaliação diagnóstica comprometeu a resolução da segunda questão prática b os alunos realmente necessitam de realizar mais exercícios práticos Avaliação Formativa eletrônica após o uso do software A média da avaliação formativa foi superior a da diagnóstica em todas as situações onde foram aplicadas as duas provas indicando a sua adequação A média global atingida depois do uso da ferramenta demonstra que a ferramenta foi bem aproveitada pelos alunos A eficiência do software para a parte teórica foi além das expectativas uma vez que o trabalho foi desenvolvido para aprimorar a parte prática principal deficiência observada nas turmas de Mecânica dos Solos A eficiência do software para a primeira questão prática foi considerada excelente A eficiência para a segunda questão prática foi pequena porque a maioria dos alunos não conseguiu usar o software integralmente por falta de tempo e nem tiveram tempo suficiente para realizar todas as etapas Análise da resolução da Prática 1 As análises apresentadas pelos gráficos das Figuras 7 8 e 9 indicam que os alunos se adaptaram muito bem ao modelo de ensino assistido proposto neste trabalho Notas da Parte Prátic 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 Alunos Notas a 1 2Sem07 UFV 6 7 8 9 10 11 12 13 Mec Solos 1 prática 1 antes Prática 1 depois Figura 7 Rendimento da turma de Mec Solos 1 da UFV 2 sem 2007 Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 Mec Solos 1 Alunos do Grupo 1 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 Mec Solos 1 Aluno do Grupo 2 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mec Solos 1 Alunos do Grupo 3 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Mec Solos 1 Alunos do Grupo 4 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Figura 8 Rendimento da turma de Mec Solos 1 da UFV 1 sem 2008 Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFJF 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Alunos Mec Solos 2 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Notas da Parte Prática 1 1Sem08 UFJF 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Alunos Mec Solos 2 Notas prática 1 antes Prática 1 depois Figura 9 Rendimento da turma de Mec Solos 2 da UFJF 1 sem 2008 5 OBSERVAÇÃO IN LOCO DO USO DO PROGRAMA A maneira como a ferramenta foi utilizada pelos alunos nos laboratórios de informática foi muito interessante e merece ser relatada Foi uma experiência inédita para o nosso pequeno grupo de pesquisadores O software não necessita de instalação bastando inserir o executável nos computadores Cada aluno utiliza individualmente um computador O nosso intuito foi o de padronizar os procedimentos fazendo com que os alunos efetuassem toda a operação avaliação diagnóstica uso do programa avaliação formativa e avaliação qualitativa do software em apenas 120 minutos Durante a execução do experimento eles não demonstraram nenhum cansaço físico Pelo contrário eles se dedicaram bastante e a todo instante dialogavam de forma espontânea entre si e com a equipe de desenvolvedores com o intuito de dirimir suas dúvidas Esta interação foi relevante porque eles apresentavam as dúvidas sem medo de se expor A maioria da turma não usou toda a capacidade da ferramenta por absoluta falta de tempo e isso refletiu no resultado da pesquisa a segunda questão prática não foi resolvida pela maioria dos alunos 6 CONTROLE DE QUALIDADE Para que um software educacional possa contribuir efetivamente ao processo de ensino aprendizagem aplicase um modelo de controle de qualidade Basicamente usamos um modelo que foi adaptado do trabalho de CAMPOS 1994 no qual especificamos claramente os critérios para a avaliação da qualidade do software na perspectiva do usuário Tabela 2 Para qualificar o software educacional implementado o usuário assinala a melhor resposta para os critérios de usabilidade do software e confiabilidade educacional segundo os seguintes graus 0 Não se aplica 1 Não satisfaz 2 Satisfaz com restrições 3 Satisfaz e 4 satisfaz completamente Com base na analise dos resultados da avaliação qualitativa realizada pelos alunos após a utilização da ferramenta Educacional foi possível chegar às seguintes conclusões quanto à usabilidade o software está adequado apresentando índice de satisfação em torno de 90 quanto à confiabilidade educacional a ferramenta também está adequada apresentando índice de satisfação em torno de 91 As restrições apresentadas pelos usuários não comprometem a pesquisa mas ao contrário nos indicam direções para se reavaliar a programação Tabela 2 Modelo adotado para qualificar o Software educacional USABILIDADE DO SOFTWARE 01 Facilidade de uso autoexplicativo 02 Facilidade de se localizar no programa 03 Clareza dos Comandos 04 Informações suficientes 05 Existência de Recursos Motivacionais 06 Uso de figuras ilustrativas 07 Uso de Cor 08 Uso de Recursos Sonoros 09 Facilidade de Leitura na Tela 10 Facilidade na Mudança de Telas CONFIABILIDADE EDUCACIONAL 11 Adequação aos Objetivos Educacionais 12 Adequação ao Conteúdo Programático 13 Adequação ao Nível do Usuário 14 Facilidade de achar informações úteis 15 Ausência de erros 16 Quantidade de textos 17 Qualidade dos textos 18 Quantidade de exercícios interativos 19 Qualidade dos exercícios interativos 20 Retro alimentação indicando acertos e erros 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS Estes resultados já apontam favoravelmente para o desenvolvimento de novas ferramentas de apoio ao ensino de geotecnia Mas decidir se um objeto educacional contribui efetivamente no processo educacional não é fácil e o sucesso num determinado contexto não garante o seu sucesso em outro Estas considerações nos levam a acreditar que o processo de avaliação deve ser aplicado em outras turmas e escolas A maciça utilização do software educacional permitirá o aprimoramento de suas funções e a correção de erros apontados pelos usuários Constatouse que o software desenvolvido para a realidade da escola de engenharia facilitou o aprendizado Notouse que um assunto estudado pode ser focado a partir de outra forma pois a maneira de abordálo abre novas prespectivas de aprendizagem fazendo com que a capacidade criativa se torne um prérequisito para a produção de novas pesquisas 8 REFERÊNCIAS BARBOSA ACLS Notas de Aula da Disciplina Teorias de Aprendizagem e a EAD do Curso de Especialização em Gestão da Educação a Distância da UFJF 2002 BLOOM BS et al Taxionomia de Objetivos Educacionais vol1 Domínio Cognitivo Ed Globo 1974 CAMPOS FCA Hipermídia na Educação Paradigmas e Avaliação da Qualidade Tese de Mestrado COPPESISTEMAS 1994 CORNELL G STRAIN T Delphi Segredos e Soluções Ed Makron 1995 DALE E Cone of learning 1969 Disponível em httpwwwcalsncsueduagexedsaeppt1sld012htm Último acesso em 22052008 HOLTZ RD KOVACS WD An Introduction to Geotechnical Engineering Prentice Hall 1981 FELDER R M BRENT R Ensino Efetivo uma oficina UFV 1999 GAMA CLG SCHEER S Objetos educacionais hipermediáticos na educação de Engenharia sua construção e usabilidade Disponível em httpwwwcesecufprbretoolsoe3artigos01241pdf Último acesso em Junho de 2008 PASSOS FJV et al PVANet Ambiente de Apoio ao Processo EnsinoAprendizado 2003 PINTO CS Curso Básico de Mecânica dos Solos Oficina de Textos 2002 SANTOS N Notas de Aula da Disciplina Avaliação de Cursos Virtuais do Curso de Especialização em Gestão da Educação a Distância da UFJF 2002 SILVA HP et al Desenvolvimento de ferramentas interativas para apoiar o ensino de permeabilidade dos solos In Anais XVII SICVII SIMPÓSV SEUI SE Universidade Federal de Viçosa Viçosa Volume 1 pág 1 2007 CDROM DEVELOPMENT OF INTERACTIVE SOFTWARE TO SUPPORT TEACHING ON MOVEMENT OF WATER THROUGH SOILS Abstract This paper introduces a software based on virtual interactive tools for teaching and learning the so called learning objects developed with the goal of helping students to learn basic concepts regarding movement of water in soils The software was written using Delphi an oriented programming language due to its graphical interface which lead to the development of very creative programs It is also a goal to spread the use of such interactive tools to the academic community involved with teaching of engineering easing its reuse as a free code in addition to allowing for new implementations Efforts have been dedicated on creating and implementing educational tools for teaching of Soil Mechanics in particular for the movement of water in the soils This subject was chosen basically due some learning difficulties noticed on students of Civil Engineering of Federal University of Viçosa The adopted strategy was focused on user interaction where students can type their answers in an electronic sheet and check results immediately This work also helped on the formation of a team of programmers of learning objects so called multipliers capable of developing dedicated interactive tools to spread their use and make them available to academic community in order to serve as a support for teaching activities and learning of Soil Mechanics and related areas Undergraduate students of Civil and Environmental Engineering tested and evaluated the quality of this software The results indicated that the use of the education software showed to be efficient Keywords Soil mechanics permeability educational software interaction quality