Nome do Projeto
Propostas Metodológicas para a Introdução do Raciocínio Computacional na Educação
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/08/2020 - 01/08/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Raciocínio Computacional, Pensamento Computacional (breve PC), ou Computational Thinking, é um método para solução de problemas que utiliza os fundamentos e técnicas da Ciência da Computação. De forma geral, habilidades comumente necessárias para a criação de programas computacionais são utilizadas como uma metodologia para resolver problemas nas mais diversas áreas. É considerado mais uma linguagem (junto com as linguagens escrita e falada, e a matemática) que podemos usar para falar sobre o universo e seus processos complexos. Empresas multinacionais apoiaram o desenvolvimento do PC e se empenharam na disseminação desta metodologia. Em particular, diversas iniciativas surgem para a desmitificação e o ensino da programação. Ao adquirir habilidades de programação, os alunos constroem e automatizam abstrações, aprendendo a solucionar problemas de diversos níveis e consequentemente desenvolvendo diversas das habilidades incluídas na definição operacional do PC. Programação em blocos, linguagens imperativas, funcionais, entre outras têm sido utilizadas para este fim. Este projeto tem por objetivo geral propor metodologias de desenvolvimento e de avaliação para consolidação do Raciocínio Computacional no âmbito da educação. De forma geral, o projeto possui duas linhas de atuação: explorar a Gramática de Grafos (GG), uma linguagem visual e formal, para representação e automatização de soluções na Educação, como forma de promover o PC; e desenvolver propostas metodológicas para a consolidação e avaliação do desenvolvimento do PC no nível da Educação Básica. Com relação a primeira linha de atuação, a inovação da pesquisa caracteriza-se pela adoção de uma linguagem que permite a verificação de propriedades, viabilizando a introdução da análise formal já no primeiro contato com a solução de problemas. Além disso, GG possui especificação visual, e consegue expressar de forma natural construções complexas, como as de distribuição, concorrência e paralelismo, também pouco exploradas nas abordagens usualmente adotadas no ensino de programação na Educação Básica. Já a segunda linha busca desenvolver metodologias fundamentadas, com recursos práticos, que permitam a comunidade da educação básica propor e avaliar atividades que desenvolvam habilidades do PC.

Objetivo Geral

O projeto tem por objetivo geral propor metodologias de desenvolvimento e de avaliação para consolidação do Raciocínio Computacional (ou Pensamento Computacional, PC) no âmbito da educação.
São objetivos específicos: explorar a Gramática de Grafos, uma linguagem visual e formal, para representação e automatização de soluções na Educação, como forma de promover o PC; desenvolver propostas metodológicas para a consolidação e avaliação do desenvolvimento do PC no nível da Educação Básica; despertar a vocação científica e incentivar talentos para a área de computação; disponibilizar todos os resultados obtidos para a comunidade científica e escolar.

Justificativa

A tecnologia está mudando a forma com que as pessoas realizam tarefas do cotidiano. Para ter sucesso neste ambiente de mudanças as pessoas precisam se adaptar, serem flexíveis e serem capazes de resolver problemas. Criatividade, colaboração, comunicação, pensamento crítico, capacidade de solucionar problemas e conhecimento de computação são habilidades básicas que os estudantes de hoje precisam ter para se preparar para o futuro. Quando se combina pensamento crítico com os fundamentos da computação define-se uma metodologia para tomar decisões ou inovar em soluções que podem melhorar a qualidade de vida das pessoas, denominada Pensamento Computacional.

A visão que se apresenta é de que a cultura do computador ajuda a sociedade não somente a aprender, mas especialmente oferece uma nova maneira de aprender a aprender. Raciocínio Computacional, Pensamento Computacional (breve PC), ou Computational Thinking, é um método para solução de problemas que utiliza os fundamentos e técnicas da Ciência da Computação. De forma geral, habilidades comumente necessárias para a criação de programas computacionais são utilizadas como uma metodologia para resolver problemas nas mais diversas áreas.

Jeanette Wing do Centro de Pensamento Computacional da Universidade de Carnegie Mellon em Pittsburgh é uma das principais pesquisadoras a promover a aplicação do PC. Segundo ela este método “envolve a resolução de problemas, o projeto de sistemas, e a compreensão do comportamento humano, recorrendo aos conceitos fundamentais da Ciência da Computação. O Pensamento Computacional inclui uma gama de ferramentas mentais que refletem a amplitude do campo da Ciência da Computação". O Pensamento Computacional pode ser colocado como uma das habilidades intelectuais básicas de um ser humano, comparada a ler, escrever, falar e fazer operações aritméticas. Habilidades estas que servem para descrever e explicar situações complexas. Nesta linha de raciocínio, o Pensamento Computacional é mais uma linguagem (junto com as linguagens escrita e falada, e a matemática) que podemos usar para falar sobre o universo e seus processos complexos.

A Sociedade Internacional de Tecnologia na Educação (ISTE) inclui habilidades específicas na definição operacional de Pensamento Computacional. Pensamento Computacional é um processo de solução de problemas que inclui (mas não é limitado a) as seguintes características: formular problemas de uma maneira que nos permita usar um computador e outras ferramentas para ajudar a resolvê-los; organizar logicamente e analisar dados; representar dados através de abstrações como modelos e simulações; automatizar soluções através do pensamento algorítmico (uma série finita e não ambígua de passos); identificar, analisar e implementar soluções possíveis, com o objetivo de conseguir a combinação mais eficiente e eficaz de etapas e recursos; generalizar e transferir este processo de solução de problemas para uma grande variedade de outros problemas. Estas habilidades são apoiadas e reforçadas por uma série de disposições ou atitudes que são dimensões essenciais do pensamento computacional. Estas disposições ou atitudes incluem: confiança em lidar com a complexidade; persistência em trabalhar com problemas difíceis; tolerância à ambiguidade; a capacidade de lidar com problemas em aberto; a capacidade de comunicar e trabalhar com outros para atingir um objetivo comum ou solução.

É possível dizer que o pensamento computacional possui três pilares: o da abstração, o da automação e o da análise. Dada a complexidade dos problemas, são necessários vários modelos diferentes para descrevê-los, tanto horizontalmente, considerando seus diferentes aspectos, quanto verticalmente, descrevendo-os em diferentes níveis de abstração. Além disso, estes diferentes modelos devem ser relacionados de uma maneira bem definida (utilizando transformações). Já a automação envolve a mecanização das abstrações e das relações entre níveis de abstrações. Esta etapa permite que a “máquina" auxilie na solução dos problemas. A análise, por sua vez, pode ser de 3 tipos: análise da viabilidade de se encontrar uma solução computacional para o problema; verificação se o algoritmo construído é mesmo a solução desejada para o problema em questão; avaliação da eficiência do algoritmo, sob vários aspectos.

Empresas multinacionais como a Google e Microsoft apoiaram o desenvolvimento do PC e se empenharam na disseminação desta metodologia. Em 2007, a Microsoft juntamente com a Universidade de Carnegie Mellon criaram o Centro de Pensamento Computacional. A Google, por sua vez, se empenha em promover esta metodologia em todo o currículo do Ensino Primário e Secundário nos Estados Unidos. A promoção do pensamento computacional para educadores já é proposto por grandes empresas como a British Broadcasting Corporation (BBC) e instituições de ensino superior renomadas como a Universidade de Harvard e o Massachusetts Institute of Technology, que se interessaram pela temática e passaram a desenvolver projetos, guias e cursos online, disseminando-a. Ensino de programação para educação básica também já é abordado por diversas entidades como o grupo Lifelong Kindergarten com o projeto Scratch e a code.org, que conta com o apoio de grandes empresas como a Microsoft e o Facebook. Ela promoveu em 2013 a campanha Hour of Code que se transformou em um movimento global para a desmitificação da programação e inspirou outras organizações a disponibilizarem aulas de programação para públicos variados, como a Hora do Código com a Khan Academy, que ensina código para crianças e adolescentes a partir de 8 anos.

Ao adquirir habilidades de programação, os alunos constroem e automatizam abstrações, aprendendo a solucionar problemas de diversos níveis e consequentemente desenvolvendo diversas das habilidades incluídas na definição operacional do PC. Programação em blocos, linguagens imperativas, funcionais, entre outras têm sido utilizadas para este fim. Este projeto propõe duas linhas de atuação: explorar a Gramática de Grafos (GG), uma linguagem visual e formal, para representação e automatização de soluções na Educação, como forma de promover o PC; desenvolver propostas metodológicas para a consolidação e avaliação do desenvolvimento do PC no nível da Educação Básica no Brasil.

Com relação a primeira linha de atuação, a inovação da pesquisa caracteriza-se pela adoção de uma linguagem que permite a verificação de propriedades, viabilizando a introdução da análise formal já no primeiro contato com a solução de problemas. Além disso, GG possui especificação visual e consegue expressar de forma natural construções complexas, como as de distribuição, concorrência e paralelismo, também pouco exploradas nas abordagens usualmente adotadas no ensino de programação na Educação Básica. Particularmente, com relação aos fundamentos do PC, a adoção e promoção de tal formalismo se relaciona nos seguintes aspectos:

- Abstração: GG são uma generalização de gramáticas de Chomsky, substituindo strings por grafos. A ideia básica do formalismo é de modelar os estados do sistema como grafos e as possíveis mudanças de estados como regras de transformação de grafos. Grafos são um meio natural para explicar situações complexas de modo intuitivo. Regras (de grafos) podem ser utilizadas para descrever aspectos dinâmicos de sistemas. A especificação da solução de um problema com GG se dá em um nível de abstração mais alto (com menos detalhes) do que as linguagens de programação usuais, por outro lado permite explorar conceitos como concorrência e distribuição de forma natural. Devido ao seu estilo declarativo (através do uso de regras), a concorrência advém naturalmente em uma especificação: várias regras podem ser executadas ao mesmo tempo, desde que não deletem/modifiquem os mesmos elementos do grafo que representa o estado (não é necessário dizer explicitamente que elas podem ocorrer de forma concomitante).

- Automação: ferramentas como GROOVE e AGG estão disponíveis para a especificação e simulação de Gramática de Grafos. O conjunto de ferramentas GROOVE inclui um editor para GG, um simulador para visualmente computar as transformações de grafos induzidas pelas regras da gramática, um gerador para explorar automaticamente o espaço de estados, um verificador que suporta fórmulas em lógica temporal e uma ferramenta para conversão de grafos em imagens. AGG fornece editores gráficos para grafos e regras, permitindo também a interpretação visual e validação .

- Análise: o uso de uma linguagem formal na especificação, permite a verificação precisa e análise de propriedades. Através da ferramenta GROOVE é possível fazer a verificação automática de propriedades através da técnica de model-checking, a qual explora diretamente o espaço de estados. Já com a ferramenta AGG é possível fazer análise de par crítico, análise de consistência e de terminação.

Por outro lado, vários desafios e questões de pesquisa devem ser considerados dentro desta proposta, os quais destacam-se: proposição de um processo metodológico para o ensino de GG na educação básica; análise, adequação das ferramentas disponíveis e/ou construção de novas ferramentas que permitam especificação e análise de soluções com GG de forma lúdica; definição de uma estratégia de avaliação que permita mensurar as diversas dimensões do PC através do ensino de GG na Educação Básica.

Com relação a segunda linha de atuação, o desafio que se apresenta é o de fornecer metodologias e recursos que permitam a comunidade da educação básica no Brasil propor e avaliar atividades que permitam a promoção de habilidades do PC. Nesta linha, propõe-se o detalhamento de frameworks conceituais, rubricas de avaliação e demais recursos e ferramentas que guiem o desenvolvimento de atividades para a educação básica.

Metodologia

A seguir, são apresentadas as etapas que serão desenvolvidas nos quatro anos de duração deste projeto.

E1. Fundamentação teórica: nesta etapa será estudado e reunido o referencial teórico que norteará o desenvolvimento das demais etapas deste projeto. Vários artigos e projetos focam no desenvolvimento do Pensamento Computacional através do ensino de programação ou desenvolvimento de sistemas. Inicialmente será realizado um levantamento e estudo detalhado de tais abordagens, estabelecida uma correlação com as habilidades envolvidas do PC, bem como uma análise das diferentes ferramentas e formas de avaliação utilizadas. Concomitantemente será feito um estudo e análise das propostas que têm sido aplicadas para a avaliação das dimensões do PC, independente dos conceitos e áreas trabalhados. Nesta etapa também será estabelecida qual será a abordagem de GG a ser adotada nas demais etapas do trabalho. Uma revisão bibliográfica, compilação das informações básicas, bem como análise de resultados já obtidos caracterizam a primeira etapa do trabalho.

E2. Criação de propostas metodológicas para o desenvolvimento do PC: de posse dos resultados da Etapa 1 serão caracterizadas e propostas novas atividades e ações que estabeleçam uma metodologia de desenvolvimento de habilidades do PC de forma lúdica. Uma das linhas de atuação irá focar na proposta de ações fundamentadas no formalismo GG e a outra na proposição de recursos que guiem profissionais da Educação Básica a propor atividades que permitam o desenvolvimento de habilidades do PC. O foco será a promoção de competências e atitudes específicas do PC, desenvolvendo as seguintes habilidades: formulação de problemas em que seja possível automatizar as soluções; representação de soluções através de abstrações como modelos; automatização e simulação de soluções; identificação, análise e implementação de soluções possíveis; verificação de propriedades. Simultaneamente serão identificados níveis de ensino que podem ser contemplados por cada abordagem proposta. Cada ação proposta será caracterizada com um resumo, habilidades correlacionadas, além de uma descrição detalhada da mesma. Indicadores de avaliação também devem ser planejados e descritos para cada abordagem proposta.

E3. Análise, Adequação e/ou Proposta de Ferramentas: esta etapa será realizada em conjunto com a etapa 2. O objetivo é que as atividades planejadas façam uso de ferramentas e que elas sejam adequadas para os níveis considerados. Dar-se-á prioridade para utilizar ferramentas já existentes, principalmente para utilizar os recursos de análise já disponíveis. Na linha 1, um estudo e análise das ferramentas de GG será feito, bem como implementações de adequações e/ou extensões. Serão analisadas as ferramentas AGG, Groove, VIATRA, Henshin, entre outras. O uso de ferramentas se dará na etapa de especificação dos problemas, após na fase de simulação dos modelos e por fim, na fase de análise. Na linha 2, considera-se a elaboração de cursos e tutoriais via ambiente virtual de aprendizagem. Também nesta etapa serão elaborados exemplos de aplicações que sejam lúdicos e adequados aos níveis considerados.

E4. Definição de estratégias de avaliação: nesta etapa pretende-se definir uma metodologia de avaliação das habilidades e dimensões do PC envolvidos para as abordagens propostas. Dimensões como autonomia, pensamento crítico, persistência, comunicação, entre outros, que deverão ser considerados no planejamento das ações a serem propostas na etapa 2, devem pertencer ao processo de avaliação a ser elaborado nesta etapa. Algumas estratégias já têm sido propostas para mensurar o aprendizado computacional, considerando as perspectivas de expressão escrita e oral, interações presenciais ou à distância e análise crítica. O objetivo desta etapa é elaborar um processo alinhado com as propostas elaboradas na etapa 2.

E5. Redação final e Avaliação dos Resultados: esta etapa contempla a descrição e análise dos resultados obtidos no projeto. Também nesta etapa será elaborado o relatório final que reunirá além dos resultados obtidos nos estudos de caso, todos os resultados obtidos nas etapas anteriores e uma avaliação final do projeto.

Indicadores, Metas e Resultados

As contribuições científicas esperadas são:
- Proposta de ações, atividades e ferramentas que promovam habilidades e atitudes específicas do Pensamento Computacional na educação.
- Definição de um processo metodológico para o desenvolvimento do Pensamento Computacional através do formalismo de Gramática de Grafos.
- Avaliação das abordagens propostas.

Serão escritos artigos científicos apresentando os resultados do projeto, que serão submetidos a conferências e periódicos relevantes. Além disso, espera-se obter uma grande integração da equipe com pesquisadores de áreas relacionadas ao projeto, fomentando assim mais ainda o espírito científico nos alunos participantes do projeto, bem como formando profissionais capacitados na área estratégica de desenvolvimento do pensamento computacional na educação.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
BRAZ ARAUJO DA SILVA JUNIOR
CHRISTIANO MARTINO OTERO AVILA8
JONNHY MORAES MARQUES
LUCIANA FOSS9
RENATA HAX SANDER REISER2
SIMONE ANDRE DA COSTA CAVALHEIRO9
YASMIN DE BRAZ PAULA HACKBART

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