Aplicações para Computação Ubíqua



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3.2CLASSROOM 2000


Essa aplicação foi desenvolvida no Instituto de Tecnologia da Georgia, Atlanta, EUA durante sete meses e testada com alunos do departamento de Ciência da Computação do Instituto.

3.2.1Motivação


Suponha um cenário onde um estudante que estivesse estudando para uma prova de uma dada disciplina, desejasse pesquisar um repositório de dados que contivesse toda a informação coletada durante todo o curso. Esse repositório incluiria uma pesquisa no material apresentado pelo professor em sala de aula, pelas notas do aluno em sala de aula e os audios e os vídeos correspondentes às aulas em si. E finalmente, suponha que essa recuperação de informação e associação pudesse ser feita por todas as aulas que o aluno tivesse assistido ou por todas as aulas dessa disciplina e que foram ministradas na instituição de ensino ao qual o aluno pertencia. O suporte automatizado para captura, exploração e reprodução dessa fonte de informação rica e dinâmica que é compartilhada em sala de aula é o objetivo dessa aplicação.

3.2.2O Protótipo


O projeto do protótipo do “Classroom 2000” foi dividido em três fases distintas – pré-produção, uso “em-classe” e pós-produção. As sub-seções a seguir descrevem cada uma dessas fases detalhadamente.

Fase de pré-produção

Assim como no modelo baseado em sala de aula, o professor se prepara de alguma maneira para cada aula, na fase de pré-produção também há a preparação de uma apresentação completa de transparências que será mostrada ou mesmo, a de preparação de uma apresentação mais informal a ser usada em sala. Qualquer material que o professor deseje disponibilizar para os alunos durante a aula tem que ser transformado para um formato que possa ser armazenado nos blocos de notas eletrônicos (“electronic notepads”) dos alunos e apresentado durante a aula no quadro-negro eletrônico (“electronic liveboard”).

Inicialmente, esse trabalho só dá suporte pleno para apresentação da informação estática em sala de aula, isto é, são suportados tipos de aula que compreendem escrita em quadros negros, quadros brancos, ou usando projeções de transparências ou “slides”. Já o suporte que envolve a apresentação de vídeos ou qualquer outra informação dinâmica como simulações em computadores ou demonstrações ao vivo não foi contemplado. O suporte a informação dinâmica é cogitado para o futuro.

O “Classroom 2000” se propos a minimizar o impacto que causa a preparação de uma aula, principalmente porque a maioria das aulas já terá algum material a ser reutilizado. Quanto mais for necessário recriar informação, menos provável será a adoção da tecnologia “Classroom 2000”. Adotou-se o “PostScript” como o formato universal para representação de material de sala-de-aula e filtros de domínio público (Unix) para converter arquivos PostScript em uma sequência de imagens (em formato GIF ou BMP).

O último passo da fase de pré-produção é o de carga dos arquivos de imagens nos blocos-de-notas eletrônicos e no quadro-negro eletrônico os arquivos para a aula.

Fase “em-sala de aula”/ “ao vivo”

Essa é a fase da sala de aula propriamente dita onde o instrutor usou um quadro-negro eletrônico (“liveboard”) que era um PC com uma tela de 67 polegadas com uma caneta eletrônica (“pen-sensitive”). Os alunos usaram uma variedade de dispositivos “pen-based”, desde “pranchetas digitais” x86 até um PC 486 de mão. Todos os dispositivos (“liveboard” e os dos estudantes) rodavam o MS Windows for Pen Computing sobre o MS Windows 3.1.

Também foram produzidas uma apresentação em “slides” e uma aplicação de anotações em MS Visual Basic chamada ClassPad para rodar em todos os dispositivos. Essa aplicação teve que ser especialmente produzida porque nenhuma das existentes disponíveis permitia o registro dos eventos anotados com a caneta eletrônica bem como, também não convertiam as anotações resultantes (em formato de “slides”) em um formato que fosse facilmente mostrado em qualquer “Web browser”. A figura 6 mostra uma tela típica da aplicação ClassPad.

À medida que o professor ministrava a aula, ele podia ir marcando os “slides” com anotações adicionais, de maneira similar à que ele usaria para escrever com uma caneta sobre as transparências se estivesse utilizando um retroprojetor. Os alunos tinham as suas próprias cópias dos “slides” o que lhes permitia percorrê-los e marcá-los como bem entendessem durante a aula. Também era permitido a criação de novos “slides” em sala de aula, caso fosse necessário.



Figura 6: A Aplicação ClassPad

Todo o audio da aula era gravado digitalmente. À medida que os “slides” eram passados e anotados, também eram registrados alguns eventos significantes (ex.; troca de slides, anotação em um “slide” com um movimento contínuo de escrita) e as anotações eram salvas em um arquivo intermediário. Ao final da aula, a aplicação ClassPad era encerrada e todos os registros e anotações eram salvos.

Pós-produção

A fase de pós-produção é aquela após o término da aula. Seu propósito era o de suportar o estudante e o professor na revisão do material das aulas. Tanto alunos como professores poderiam verificar os “slides” anotados em sala e todas as anotações feitas por alunos em uma determinada aula específica , através do acesso via “web” do programa do curso (figura 7).



Figura 7: Programa do curso, com indicações de materiais

Através de um “browser” compatível com “frames” aluno e professor teriam acesso a apresentação da sala de aula divida em três panéis. O painel superior contem uma visão geral reduzida de todos os slides de uma aula específica permitindo que qualquer um deles seja selecionado e uma imagem detalhada seja exibida no painel inferior direito. O slide que tiver sido selecionado fica indicado no painel geral supeior em vídeo reverso realçado, como mostrado na figura 8. O painel inferior esquerdo revela algumas informações sobre o conteúdo do slide, uma lista de de “links” de audio e um “link” para uma página de pesquisa baseada em conteúdo.

Todo o conjunto (apresentação e anotações) era gerado automaticamente a partir dos arquivos de registro histórico de uma aula onde o ClassPad foi usado. Através da associação entre um determinado “slide” e um determinado registro de data e hora poderia se ter acesso ao audio gravado naquela apresentação específica. Havia um programa de audio que permitia que o estudante utilizasse a interface gráfica para percorrer a trilha em qualquer direção.

As anotações eletrônicas agregavam um valor adicional em relação as anotações feitas em papel. Sem esses recursos adicionais era difícil justificar a utilização das anotações eletronicas. Um outro recurso disponibilizado na fase de pós-produção, era a habilidade de fazer pesquisa baseada em conteúdo (limitada) nos “slides” de todo um curso. Usando o texto de rodapé dos slides de aula, criou-se um índice invertido de palavras-chave para os “slides” de uma determinada aula, mostradas no topo do painel esquerdo inferior apresentado na figura 8. Ao selecionar o “link” à esquerda, o estudante acessava um formulário através do qual ele poderia submeter perguntas textuais simples que pudessem servir de argumento de pesquisa para os “slides”das aulas de um dado curso. Por exemplo, o estudante poderia pesquisar todos os slides que contivessem a palavra “Evaluation”. O resultado da pesquisa seria uma outra página de três painéis, sendo que os “slides” mostrados não estariam limitados a uma única aula.

Figura 8: Revisão da apresentação



Figura 9: Programa cliente de audio

No futuro será possível fazer algum pós-processamento adicional na informação coletada em sala de aula (anotações e audio). Por exemplo, será possível usar um sistema de reconhecimento de voz para prover uma pesquisa baseada em palavras-chave em uma aula ou em um conjunto de aulas. Além disso, também será permitido usar o reconhecimento de escrita para converter as anotações em um formato mais compatível com pesquisa automatizada. Será possível a criação de “links” automáticos dentro e entre aulas ligando partes do curso que discutam o mesmo tópico. Essas capacidades adicionais suportariam tanto o estudante quanto o professor na revisão das aulas e do material do curso. Por fim, o conteúdo completo do curso poderia resultar em um livro online multimídia.

3.2.3Arquitetura do Sistema e Questões de Implementação


Apesar das severas críticas, a prototipação em três fases facilitou o desenvolvimento e permitiu a modificação e o aperfeiçoamento de certas funcionalidades do sistema com impactos mínimos umas nas outras.

Outra decisão importante foi a adoção de um padrão “Web” para a arquitetura do sistema. A “Web”, por excelência, permite o acesso multi-plataforma a um sistema de arquivos compartilhados, e todas essas características foram importantes na concepção do sistema. Além disso, uma das importantes características de aprendizado a longo prazo é a relação entre a informação nova e a informação antiga. Seja essa relação resultante de uma associação explícita feita pelo estudante durante a revisão ou inferida automaticamente pelo sistema, a operação básica a ser suportada é o estabelecimento de uma ligação entre duas porções de informação.

O que se pretende é que todas as fases do projeto estejam suportadas pelo modelo “Web” e por suas ferramentas. O protótipo já permitiu anotações ao vivo em sala de aula, usando mapas de imagem localizados no lado da aplicação cliente. Quando o “browser” tiver uma interface baseada em caneta eletrônica (“pen-based”) será possível finalmente transportar a fase “em-sala-de-aula” para “Web”, também.

Outra decisão crítica na arquitetura do sistema foi modelar as anotações em formato de imagem. Em várias montagens da sala de aula, os professores forneceram aos estudantes transparências ou anotações previamente montadas antes da aula e a maioria deles considerou isso uma vantagem. Além disso, muitas das outras tarefas desempenhadas no dia-a-dia envolviam tomada de notas. Por exemplo, os professores corrigiam textos de alunos por meio de anotações. Portanto, esse modelo em forma de anotações foi útil para a sala de aula.

Sabia-se também que qualquer coisa manuscrita por cima de uma transparência poderia perder o significado se a transparência fosse re-exibida de uma forma diferente (altamente provável se utilizados “Web browsers” genéricos em diferentes tamanhos de tela). A adoção de uma padrão de imagem “bitmap” poderia evitar esse problema.

A contrapartida dessa decisão foi que toda transferência de arquivos eram mais lentas (“downloading” de pré-produção, “uploading” de pós-produção e carga da imagem em um Web Browser). Além disso, o formato das páginas de revisão era menos flexivel em termos de como elas poderiam ser exibidas.

Uma consideração final do desenho era o fato de que, ao final, se pretendia ter a capacidade de recriação de toda a experiência de sala de aula. Isso significa que será permitido se ter a capacidade de manipular fontes de mídia mais rica a níveis de granularidade menores. Por exemplo, ao apontar para uma anotação qualquer, o aluno poderia perguntar durante a revisão, “O que o instrutor estava dizendo quando eu escrevi isso?”. Ou o estudante poderia querer achar as anotações associadas a uma apresentação ao vivo que ocorreram em algum ponto da aula. A solução que se apresentou para revisão e indexação da trilha de audio para a aula foi também aplicada a video. A restrição que se tinha era a de armazenamento eficiente e a de apresentação. A granularidade em relação ao registro histórico que se tinha era muito grosseira devido principalmente a interface de programação limitada que o Visual Basic tinha e usado para desenvolver o ClassPad. Para fins de protótipo, O Visual Basic foi de excelente utilidade mas para desenvolvimento de um produto em si, seria necessário pesquisar outros ambientes mais flexíveis.

Essas últimas ressalvas comprovaram a necessidade de se tratar a fase “em sala de aula” como uma atividade de captura inteligível. A carga das atividades futuras com relação ao aprimoramento do Classroom 2000 estarão relacionadas as atividades de pós-produção necessárias na reconstrução e na filtragem das informações.


3.2.4Avaliação da Eficácia


Protótipos Iniciais

A infraestutura do Classroom 2000 foi desenvolvida durante o outono do ano de 1995 pelo Georgia Tech. Durante esse trimestre, ao mesmo tempo em que o desenvolvimento acontecia, quarenta estudantes da universidade proviam “feedbacks” constantes sobre vários aspectos do sistema protótipo como por exemplo: uso do quadro-negro eletrônico, uso da aplicação ClassPad, serviço de audio.

Os estudantes apreciaram o aumento da participação em sala de aula que foi influenciado pelo quadro-negro eletrônico e pela disponibilização e riqueza do material que era fornecido a eles depois das aulas (principalmente quando eles faltavam aula). Vários estudantes também optaram por desenvolver e implementar uma ferramenta em SmallTalk para ajudar na construção da aplicação “Web” do programa do curso, facilitando a tarefa de manutenção da página por parte do professor. E embora o serviço de audio só estivesse disponível para uma aula, os estudantes também acharam muito útil poder escutar as discussões que aconteceram em sala de aula ao mesmo tempo em que olhavam as notas estáticas que tinham sido coletadas durante a aula.

A Experiência Completa

Durante dez semanas do inverno do ano de 1996, o protótipo completo do Classroom 2000 foi usado com vinte e cinco estudantes do curso de graduação da Ciência da Computação, para a aula de Interface Humano Computador[3]. Os recursos tecnológicos do projeto foram sendo gradativamente introduzidos em sala de aula começando com o quadro-negro eletrônico, depois o serviço de audio e finalmente, as unidades móveis para os estudantes. Na terceira semana, os alunos já estavam fazendo anotações eletrônicas. Quatro dos alunos (os regulares) foram selecionados para fazer anotações usando a ClassPad, durante dez aulas. Quatro estudantes (os relutantes) optaram por não fazer anotações eletrônicas durante todo o curso. O resto deles (os eventuais) usaram outro tipo de recurso.

As avaliações foram feitas da seguinte forma: no início, foram distribuídos questionários para que se pudesse avaliar as reações iniciais dos estudantes ao Classroom 2000 ao longo do curso. Além disso, foi pedido que os estudantes mantivessem um diário de suas anotações à mão e eletrônicas e um histórico das respostas dadas a pequenos questionários que avaliavam suas reações em relação ao uso da tecnologia em sala de aula especificamente naquele dia e se eles tinham usado a aplicação “Web” para revisão desde a primeira aula. Ao final do curso, os alunos preencheram um outro questionário que tinha por objetivo investigar as sua s reações como um todo. A tabela 2 contém um sumário das respostas dos alunos com relação a um pequeno grupo de perguntas que avaliavam a eficácia do Classroom 2000. Os alunos proveram as respostas a afirmações da tabela 2 com base na seguinte escala: 1 (discorda fortemente); 2 (discorda); 3 (neutro); 4 (concorda); 5 (concorda fortemente).

Tabela 2: Respostas ao Questionário Final

A disponibilização das anotações feitas no quadro-negro eletrônico em conjunto com o audio fizeram com que os alunos não se sentissem tão preocupados quando algum deles não podia estar presente à aula embora eles não tenham sido encorjados a faltar às aulas. Os alunos (os regulares) que usaram a aplicação ClassPad se mostraram menos positivos quanto ao uso da tecnologia em sala de aula. Eles explicaram que o tempo de resposta das unidades individuais era mais lento do que o do quadro-negro eletrônico causando uma certa frustração. Isso então, diminuiu a probabilidade dos alunos consultarem os “slides” já que, a troca de “slide” era uma das operações mais demoradas. Um outro aspecto foi o fato de que os alunos gastaram muito tempo copiando textualmente o que o professor tinha escrito no quadro-negro eletrônico. Apesar do ClassPad objetivar minimizar o tempo gasto com anotações, essa avaliação pareceu evidenciar o contrário.

Para aqueles alunos que usaram o ClassPad ocasionalmente ou nunca usaram essa aplicação, consensaram de que a tecnologia disponibilizada em sala de aula os liberou da tarefa de anotação e lhes proporcionou mais tempo para se concentrarem e entenderem o material apresentado em sala.

Os estudantes foram questionados quanto ao fato deles abandonarem o uso de papel em favor do uso da caneta eletrônica. Apesar de algumas oposições que preocuparam-se com o fato de que nem todos os estudantes tinham uma conexão de internet rápida em suas casas ou de que a leitura do material no vídeo do computador poderia lhes fazer mal, quase que metade dos estudantes confirmaram que eles largariam as anotações manuais. Algumas das razões que eles apresentaram foi a de que as anotações acessadas eletronicamente eram mais organizadas, poderiam ser mais pesquisadas e tinham tendência a se tornarem mais valiosas pelo fato de que a essas anotações poderiam ser incorporadas as anotações de outras aulas. Vários alunos notaram que eles só conseguiram comprovar o benefício do uso do Classroom 2000 somente após uma exposição prolongada.

3.2.5Recomendações e Trabalhos Futuros


Nessa seção são apresentadas algumas soluções para os problemas levantados durante a experiência de prototipação.

A fase “em sala de aula” foi operada em modo desconectado e é evidente que se pode perceber algumas vantagens com relação a serem fornecidos diferentes níveis de conexão entre as anotações do professor e as unidades dos alunos e, entre os alunos entre si. A conexão entre o quadro-negro eletrônico e as unidades dos estudantes permitirá que os estudantes possam fazer cópias seletivas das anotações do professor.

A aplicação ClassPad contou com uma interface de tela única, o que por um lado facilitou e simplificou seu uso mas, que por outro foi um tanto limitante. O acesso a múltiplas telas proporciona a capacidade de visualização concorrente das anotações dos estudantes e das anotações do professor. Uma simples gesticulação pode vir a acionar uma cópia de anotações de uma lado para o outro ou pode implicar na criação de ‘links” hipertexto entre diferentes anotações. Essa facilidade também pode ser estendida para permitir que os estudantes possam vir a visualizar as anotações uns dos outros, desde que estejam conectados e que se resolva algumas questões de segurança. Outra vantagem do acesso múltiplo é o fato de que os estudantes também podem recuperar anotações de aulas anteriores. Durante a prototipação, houve vários momentos onde comprovou-se que essa funcionalidade teria sido bastante útil.

O acesso múltiplo porém incorre em um outro problema que é relacionado aos diferentes tamanhos de dispositivos. Várias críticas foram feitas com relação ao tamanho da tela dos palmtops. Considerou-se a possibilidade de dar aos alunos múltiplas unidades para que eles pudessem ter mais área de visualização. Entretanto, como as unidades dos alunos não seriam próprias deles, pensou-se em equipar a sala com vídeos maiores e até mesmo trocar o “desktop” inteiro por um vídeo sensível a caneta eletrônica.

Haviam vários outros projetos que se desenvolveram com base nas fases do Classroom 2000. A maioria deles concentrou seus esforços em aplicações de anotação durante a fase “em sala de aula”, de forma que os alunos pudessem utilizar palavras-chaves para acelerar o processo de anotação como por exemplo, o projeto Marquee[9], fornecer uma avaliação anônima imediata sobre as questões ou tópicos apresentados pelo professor e melhorar o modo de revisão.

Alguns problemas enfrentados foram pela falta de acesso ubíquo para algumas características do sistema. Só foi possível dar acesso ao programa de audio Unix. Está sendo desenvolvido uma aplicação de audio em Java que vai proporcionar essa capacidade de acesso multi-plataforma. A pesquisa baseada em contexto só foi apresentada ao final do ano letivo para ajudar nos exames finais, o que foi um pouco tardio para que se pudesse perceber seu benefício. Além disso, essa pesquisa baseada no conteúdo só funcionava para o material preparado para a aula e conclui-se que também seria necessário disponibilizar esse tipo de pesquisa para a parte do audio e para as anotações individuais.

Os alunos se queixaram de que as anotações que foram disponibilizadas estavam em modo de leitura e eles não podiam editá-las durante as aulas. O que aconteceu é que essas anotações estavam disponíveis para serem acessadas por um editor HTML mas os alunos não souberem tirar vantagem disso.

Também se percebeu que essa aplicação foi baseada em interface sensível a caneta eletrônica e que poderiam ter sido explorados outros tipos de dispositivos de entrada, especificamente o teclado e o papel. Por outro lado, essa perspectiva só requereu esse tipo de computador na universidade já que a fase de pós-produção pode ser executada por qualquer computador que suporte um “Web browser” .

Embora a outra intenção desse projeto seja a da possibilidade de recriação da sala de aula, ainda é necessário que se consiga capturar mais informação que ainda é perdida. Para isso tem se investido em tecnologias de vídeo e na interação entre todos os alunos com a aplicação ClassPad.

Espera-se que esse tipo de aplicação seja bastante rico para a área de aprendizado através de máquinas.


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