1.1. Definição do tema e do tipo de pesquisa

O presente projeto situa-se na confluência das seguintes grandes áreas de pesquisa: Informática Educativa, Realidade Virtual (RV), Ciência Cognitiva e Inteligência Artificial. (A temática abordada pelo projeto é a facilitação do fenômeno de plasticidade em unidades autopoiéticas humanas, mediante o uso de recursos computacionais e da RV). A pesquisa pode ser enquadrada na categoria de pesquisa empírica exploratória, uma vez que se tenta modelar um ambiente inteligente para a educação continuada e flexível, baseada nas modernas tecnologias.

1.2. O contexto do problema e sua relevância

Na nova "ecologia" econômica, cada nação está procurando um nível de especialização que brinde oportunidades baseadas nos seus recursos econômicos, humanos e naturais.

As máquinas inteligentes tendem a incrementar a eficiência, mas também fazem o trabalho mais mecânico que requeira menos habilidades e salários baixos. A pessoa transforma-se em olhos, braços e personalidade de um dispositivo que está recordando, armazenando, "pensando" e tomando decisões. A substituição de um sistema de automação de oficinas para datilógrafas, pelo contrário, requer uma secretária com funções mais sofisticadas.

A globalização dos mercados e das indústrias de comunicação e entretenimento estão conduzindo a uma rápida evolução da alta performance dos computadores e comunicações. As infra-estruturas de informação regional, nacional e global estão desenvolvendo a melhora das habilidades para sentir, atuar e aprender no processo de aprendizagem, ultrapassando as barreiras de tempo e distância. A maneira como a informação é criada, deliberada e usada nos negócios, governo e sociedade está mudando rapidamente. Para preparar os estudantes como trabalhadores e cidadãos com sucesso, os educadores podem incorporar no curriculum, experiências com criação e utilização de novas formas de expressão semelhantes à multimídia (Dede, Lewis, 1995).

O projeto centrado no aprendiz (Learner-Centered⁶) tem colocado, recentemente, os desafios para a Interação Homen-Computador (IHC), para começos do século 21. Entusiasmados em torno do panorama de ensinar através da tecnologia, Soloway, Guzdial e Hay (apud Salzman, Dede, Loftin, 1995, p. 1) têm impulsionado a comunidade de IHC a projetar, mais que para a usabilidade, para a aprendizagem. Os educadores têm, continuamente, desenvolvido e aplicado novos tratamentos instrucionais para melhorar os resultados de aprendizagem. A questão colocada nesta pesquisa é o modo como combinar esses tratamentos instrucionais existentes nos desenvolvimentos de Ambientes Inteligentes de Aprendizagem.

A pedagogia em ciências de educação está baseada em dois princípios (ibid.):

Acredita-se que através do uso da imersão multisensorial em realidades virtuais, materiais abstratos complexos, considerados muitos difíceis, podem ser apreendidos por uma grande quantidade dos estudantes (apud ibid.)

A modalidade de aprendizagem de cada indivíduo é uma combinação de como percebe, organiza e processa a informação. Embora se possa chamar de várias formas os diversos estilos de aprendizagem, pode-se, de uma maneira simples, separar as duas principais categorias de aprendizagem (Guillon, Mirshauka, 1995, p. 20):

· Modalidade, definida como a forma de compreender a informação mais facilmente.

· Dominância cerebral, definida como a forma de organizar e processar a informação.

Entre as modalidades de aprendizagem existem (ibid., p. 21) asvisuais, as auditivas e as cinestésicas. Em caso que se conheçam as características visuais, auditivas e cinestésicas de um sujeito cognoscente, torna-se mais simples "ajustar" o processo de aprendizagem para a modalidade mais adequada. Este processo poderia ser bem realizado mediante o uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), que contam com recursos como a multimídia, hipertexto, hipermídia, realidade virtual e telemática, que podem oferecer flexibilidade, personalização, interatividade e qualidade no ensino.

· A "multimídia" - utilização de um ordenador de "múltiplos meios" como textos, gráficos, sons, imagens, animação e simulação, combinados interativamente, para conseguir um efeito determinado (Laurillard, 1998).

· A utilização do "hipertexto" permite situar distintos tópicos inter-relacionados uns aos outros, em diferentes níveis de profundidade, possibilitando personalizar a tarefa de aprendizagem, acoplando o aluno a seu próprio ritmo, nível e estilo mais adequados.

· Um bom "hipertexto" combinado com "multimídia" oferece o que Nielsen chama "hipermídia"; recurso ótimo para ambientes de educação aberta e à distância.

· A Realidade Virtual pode ser definida como "a simulação de meio-ambientes e dos mecanismos sensoriais do homem pelo computador, de maneira tal que busca proporcionar ao usuário a sensação de imersão e a capacidade de interação com meio-ambientes artificiais" (Rios, 1994, p. 1).

Os grandes motivos pelos quais se pretende promover o desenvolvimento no ensino com recursos de informática são expostos por Tavares (1991, p. 491):

1.3. O problema

Os Sistemas Tutoriais Inteligentes (STI) são pesquisas da Inteligência Artificial no domínio da educação auxiliada por computador (Linton apud Wu, 1996, p. 2), cujo objetivo é a descoberta da forma de fazer do computador um tutor inteligente, capaz de criar uma máquina de representação de fases de conhecimento do aprendiz, que permita estabelecer o aprendizado intermédio e final e de prover guias instrucionais para acelerar a aprendizagem. Apontando estes objetivos, os pesquisadores em STI vêm realizando seus trabalhos, nos últimos 25 anos, sobre um amplo espectro de assuntos teóricos e práticos. Esta diversificação foi causada em grande parte pelas expectativas dos pesquisadores em STI a respeito de como muitos destes sistemas podem ter uma boa compreensão da aprendizagem humana, baseando-se nas teorias construtivistas ou comportamentalistas (ibid.).

Procura-se possíveis estratégias instrucionais para a formulação de princípios de aplicação dessas estratégias, que sejam sistemáticas e produtivas, objetivando representações apropriadas em máquinas para a implementação desses princípios e, portanto, tornando os STI não somente possíveis, mas verdadeiramente adaptativos, característica crucial para o respectivo sucesso. Segundo Wu (1996, p. 3), essas metas provêm os STIs de potencial para a educação.

Apesar dos empenhos mais efetivos em aprendizagem auto-regulada (Winn, 1995), os assistentes instrucionais ajudam o aprendiz. Instrução, no contexto da escola, é um processo oferecido por instrutores humanos e envolve o professor e o aprendiz, distinto do conceito do ensino segundo Gagné (1992). Os méritos da instrução proporcionada por professores humanos são os aspectos dinâmicos e interativos do ensino. Baseado nos relatórios dos experimentos de Cronbach (apud Wu, 1996), os melhores instrutores são aqueles que podem fornecer adaptação intuitiva baseada na experiência e nas impressões de cada estudante. Obviamente, é extremamente difícil para um STI ter semelhante capacidade (ibid.).

A necessidade para realizar experiências teóricas ou especialmente práticas com as mãos, de uma forma não constrangida pela presença de inspetores ou instrutores, ou a disponibilidade de recursos, incluindo tempo, tem proporcionado um interesse crescente pela RV, como uma forma de instrução de conhecimento nos diferentes domínios.

Um Sistema Tutorial Inteligente (STI), que forneça experiência teórica ou prática, criando situações apropriadas para o ensino ativo de pessoas, requer uma arquitetura com características inerentes a este design, em particular: a flexibilidade para trocas ou atualizações na base de conhecimento existente ou um conjunto de procedimentos de treinamento, que podem se expandir para reutilizabilidade se as trocas forem suficientemente vastas para constituirem um STI com uma abordagem que permita:

• uma adaptabilidade que suporte a diversidade de interfaces de hardaware e software;
• um ambiente de aprendizagem baseado em simulação como uma estratégia de ensino, que varia os graus de realismo que podem ser expandidos para treinamento em um ambiente de Realidade Virtual.

A abordagem baseada-em-regras ou não-procedural combinada com métodos objeto-orientados é mais importante que o uso de bases de dados separadas para o armazenamento de regras, fatos e objetos que preencham essas necessidades (Tam, et. al., 1996, p. 2). O uso dos objetos facilita a manipulação de dados para prover uma adaptabilidade simples para as mudanças nos dados que serão armazenados, fazendo uso da encapsulação, manuseio-mensagens, heranças e polimorfismo. A formalização do material de ensino em um esquema tutorial, passo a passo, suporta a estratégia para o ensino baseado na simulação, que segundo alguns autores é o melhor. O modelo de objetos suporta interfaces diretas com ambientes de RV, os quais pela natureza dos objetos, suportam a adição de melhoras no realismo da RV e dos detalhes desejados.

Uma característica importante de um STI é prover ensino adaptativo, permitindo a realização de atividades apropriadas para que o nível de habilidade do usuário mude, quando acumular experiência no ensino. Esta habilidade é implementada no sistema Welding Intelligent Training System – WITS (ibid.), por meio de loops de feedbacks que mostram os parâmetros da sessão de treinamento, de acordo com a performance em sessões prévias de treinamento. Esta performance pode ser definida, baseada em erros ou períodos de necessidade de ajuda. Os parâmetros de todas as inquietudes nas sessões do usuário são armazenadas e essas "sessões problemáticas" apresentam-se novamente ao usuário. Este processo assegura ao usuário a prática repetida de suas dificuldades. Segundo Tam et. al. (1996, p. 3), o peso dos parâmetros da sessão podem ditar o grau de sucesso de uma sessão em particular. O conjunto desses pesos tomados juntos podem ser vistos como o modelo de um instrutor individual ensinando filosofia.

O design de STI deve ser flexível para permitir a reusabilidade⁸. O conhecimento armazenado pela Base de Conhecimento deve poder ser modificado ou atualizado por um especialista do domínio do assunto, de acordo com as atualizações dos cursos de treinamento a nível de arquivo de bases de dados, fora de qualquer troca no código do sistema ou Base de Dados. Isto habilitaria uma extensão fácil do sistema para gerar outros cursos de treinamento ou STIs que usem semelhantes filosofias de ensino ou treinamento.

Um ambiente educacional que forneça sistemas de ensino de domínios diversos com o conhecimento e a experiência requeridas no mundo-real, para terem sucesso completo devem ser fornecidos com as características da RV, resultando numa poderosa ferramenta para treinamento visual e manual, incluindo a possibilidade de ensino em equipe. Os custos de instrutores e equipamento podem ser diminuídos ou adiados, as lesões resultantes do manuseio são praticamente nulas, os custos de danos no equipamento e custos de pessoal no treinamento podem tornar-se uma relação irrelevante, o treinamento pode ser planejado segundo as conveniências dos treinados. Além disso, a capacidade de retomar as sessões com mínimo esforço seria uma grande vantagem.

As principais questões colocadas numa abordagem exploratória da IA (para modelar um Sistema Inteligente para a Educação baseado na tecnologia de RV), que seja capaz de mostrar um comportamento inteligente observável na sua performance, deixa as seguintes interrogações:

• permitiriam os ambientes sintéticos a realização de transformações no meio virtual, capazes de gerar no organismo autopoiético humano transformações congruentes com as do meio virtual, como resultado de cada interação que o afeta? Pode assim ser acrescentada à riqueza plástica de um organismo autopoiético humano?.
• podem os ambientes sintéticos serem adaptados às características pessoais e ritmo de cada unidade autopoiética humana?.
• as experiências em primeira pessoa, que brindam os ambiente sintéticos, são efetivas para gerar comportamentos adequados para experiências relacionadas com conhecimentos declarativos e conhecimentos procedurais?.
• está a RV em um estágio tal que ofereça uma interface intuitiva de qualidade entre o homem e a máquina?.
• é possível incorporar nos sistemas inteligentes de ensino as características de reusabilidade e interoperabilidade⁹?.
• Pode um sistema inteligente para o ensino ser modelado com os novos paradigmas que oferecem a Inteligência Artificial Distribuída (IAD) e a Inteligência Artificial Construtivista (IAC)?.

1.4.1. Hipóteses subjacentes

• O uso da tecnologia da informação para melhorar os ambientes de aprendizagem construtivista tem sido centrado na criação de ferramentas computacionais e representações virtuais para que os aprendizes possam manipular.

• Os avanços na aprendizagem colaborativa suportada por computador, multimídia, hipermídia e simulação de experiência oferecem o potencial para criar "ambientes de aprendizagem através do fazer" disponíveis em qualquer lugar e tempo.

• A engenharia sofreu uma mudança transcendente ao incorporar o computador como ferramenta, fato que gerou a necessidade de uma mudança na educação e na formação do engenheiro, levando-se em conta tanto o desenvolvimento de software educativo, como a maneira de ensinar a planejar e resolver problemas com a ajuda do computador.
• Os novos meios tecnológicos usados para a educação não são, em si mesmos, uma finalidade, são uma nova "tecnologia educativa", cuja base e centro de ensino continuará sendo sempre o ser humano: aluno e professor.

• O novo sistema educativo deve permitir flexibilidade, autonomia e cooperação dentro de um conceito de educação permanente e contínua. É conveniente desenvolver novos modelos educacionais para oferecer novas oportunidades aos participantes do processo de ensino-aprendizagem.

• Os ambientes inteligentes para a aprendizagem devem incluir experiências "por fazer" relacionadas às solicitações de aprendizagem do sujeito cognoscente e a possibilidade de administrar estratégias baseadas em abordagens pedagógicas diversas, que facilitem e adeqüem o processo de aprendizagem a cada indivíduo ou grupo de indivíduos.

A adaptabilidade do sistema às características individuais é uma condição fundamental para atender aos interesses do sujeito cognoscente que pressupõe o respeito às suas características pessoais e ritmo de trabalho.

• Para Maturana e Varela (1970), o organismo não constrói uma representação do meio, nem processa uma conduta adequada para ele, pois no seu operar, não existe meio, nem lembrança, nem memória, existe apenas uma dança estrutural no presente, que segue um curso congruente com a dança estrutural do meio, ou se desintegra (morre). A conduta do organismo permanece adequada apenas para conservar sua adaptação durante suas interações e o que um observador vir como lembrança consiste, precisamente, na aparição de condutas que ele vir como adequadas, por que o organismo conserva sua adaptação frente a essas perturbações do meio (real ou virtual) e também as que ele vir como recorrentes. Segundo esta perspectiva, não existem interações instrutivas, pois o meio apenas seleciona as mudanças estruturais do organismo, mas não os especifica.

• Se a cognição for não-simbólica e a aprendizagem for vinculada à ação, então o conhecimento é construído através da interação com o mundo real ou virtual. A RV sensorial imersiva tem se revelado como uma poderosa ferramenta de ensino e treinamento. Suas interfaces possuem potencial para complementar abordagens existentes para o ensino, especialmente, se associadas às técnicas da computação gráfica e tecnologias inteligentes.

1.5. Delimitação das fronteiras do trabalho

1.5.1. A pesquisa em Ambientes Inteligentes de Educação suportados pela Realidade Virtual

As pesquisas na construção de Ambientes Inteligentes de Educação (mais conhecidos como Sistemas Tutorias Inteligentes - STI) estão em andamento há aproximadamente 20/25 anos. Realizadas por diversos autores, tais como Anderson (1985 apud Guin, 1991), Giraffa (1977), Rickel e Johnson (1998) e muitos outros, mostram que as características chave de um sistema tutorial são suas habilidade para diagnosticar as concepções erradas do aprendiz durante a processo de ensino-aprendizagem, e baseado nesses diagnósticos o sistema fornecerá ao estudante o ensino subsidiário adequado. Contudo, muitas questões psicológicas envolvidas no ensino-aprendizagem, e na compreensão ainda não têm recebido respostas convincentes.

A individualização ou adaptabilidade para o usuário é o objetivo fundamental no desenvolvimento de sistemas interativos atuais. Usualmente, os usuários de sistemas interativos têm características, background, habilidades e motivações diferentes e esta heterogeneidade do usuário não pode ser ignorada. Na verdade, espera-se que os sistemas interativos forneçam facilidades e feedback sensíveis e adaptáveis às necessidades, conhecimentos, metas, desejos ou características dos usuários e aprendizes. Tal adaptabilidade pode ser realizada pela presença de modelos on-line, que possuam capacidade de reter algumas características dos usuários.

Adicionalmente, as enormes dificuldades na criação de uma máquina que podesse representar os estágios de aprendizagem dos estudantes e identificar suas possíveis concepções erradas, contribuíram com a diversificação da pesquisa nos STIs e ILEs - Intelligent Learning Environment-. Com relação à importância das pesquisas em andamento, alguns autores acreditam que o ensino auxiliado por computador é uma alternativa atrativa para o fornecimento de assistência para os estudantes que aprendem auxiliados por tutores humanos e para professores responsáveis pela aprendizagem deles e também para os estudantes que aprendem sozinhos, especialmente quando não contam com ajuda de tutores humanos ou quando estes não têm disponibilidade de tempo.

Um STI deve ter várias características distintivas inerentes ao seu design, em particular:

• A flexibilidade para mudanças, evoluções e atualizações na base de conhecimento ou no conjunto de procedimentos de treinamento, que possam suportar a reusabilidade, se as mudanças forem suficientemente vastas para constituir um STI completamente diferente.
• Uma flexibilidade e adaptabilidade que possa suportar a capacidade de operação multi-usuário e incorporar a diversidade de interfaces de hardware e software para fornecer recursos e ferramentas solicitados pelo domínio do assunto a ser ensinado.
• Um ambiente para a aprendizagem baseada em simulação como uma estratégia de aprendizagem, que possa ter diferentes graus de realismo abrangendo, também o ensino em ambientes de RV.

1.5.2. Objetivos gerais

• Propor a arquitetura de um Modelo de Ambiente Inteligente para a Educação, que englobará aspectos da Informática Educativa, da Realidade Virtual (RV), da Ciência Cognitiva e da Inteligência Artificial.
• Propor os modelos de implementação de situações de ensino suportadas em RV e baseadas nos pressupostos da abordagem construtivista do ensino-aprendizagem e da teoria socio-biológica de Maturana e Varela.
• Propor um sistema com capacidade de evolução incremental desde estágios iniciais a estágios superiores, através da "aprendizagem" pela interação com os usuários.

• Realizar a modelagem dos componentes centrais utilizando uma arquitetura multi-agente.
• Descrever o conhecimento pedagógico em termos de interações entre agentes.
• Fornecer ao modelo a capacidade de trocar o domínio de conhecimento associado a estratégias de abordagens pedagógicas diversas, fornecendo flexibilidade e adaptabilidade às solicitações do sujeito cognoscente.
• Utilizar ambientes de RV como ferramenta para a construção de conhecimento.
• Incorporar no modelo a utilização de tecnologia moderna para a aquisição e tratamento de dados e sua utilização pelo usuário do sistema.
• Projetar as interfaces homem-computador mais adequadas para o sucesso do modelo.

Os recursos de informática estão sendo incorporados na educação, na medida em que se verifica a tendência gradativa de assimilar: novas concepções de organização do trabalho e novas tecnologias de informação e comunicação presentes na sociedade atual.

A informática e a RV, por serem ferramentas cada vez mais presentes no processo de trabalho, são tecnologias de apoio à aprendizagem, e têm o potencial para ser uma das mediadoras das complexas relações entre educação e trabalho. Estas tecnologias podem, ainda, auxiliar na promoção de mudanças que a escola, a universidade e o setor industrial necessitam imprimir em seu cotidiano.

Como será dito em diferentes partes desta pesquisa, a relevância desta proposta radica na necessidade de procurar ferramentas adequadas para a educação contínua e flexível da força laboral, como fator imprescindível para o sucesso da empresa, dentro de um ambiente caracterizado pela inovação tecnológica contínua e crescente e tendente à globalização dos mercados.

Este projeto é relevante, na medida em que procura modelar um ambiente inteligente virtual de aprendizagem, baseado na estimulação multisensorial, semelhante aos estímulos fornecidos pelo mundo real. Uma característica importante de um sistema desta natureza é o fornecimento de ensino adaptativo, ou seja, atividades apropriadas para o nível de habilidade e de experiência do usuário. O sistema deverá garantir o treinamento repetido do usuário, para superar suas dificuldades no cenário da aprendizagem.

Um sistema com estas características permitirá a aprendizagem de domínios de conhecimento caracterizados, tipicamente, como "árduos", "difíceis", "perigosos", etc., seja pela sua complexidade, dificuldade de abstração, alto grau de simbolização, altos custos que acarretam os investimentos em maquinarias, ferramentas e materiais, etc., ou pelos perigos que envolvem a manipulação de alguns equipamentos ou materiais, assim como a imersão em ambientes perigosos, entre outros fatores, e que, atualmente são ensinados através de experiências em terceira pessoa, mediando a comunicação com símbolos verbais, escritos em textos, gráficos, imagens, etc. acrescentando as possibilidades de gerar erros de concepção de procedimentos, mal-entendidos, etc., que geralmente podem afetar múltiplos aspetos produtivos da empresa, ou até desencadear acidentes de trabalho ou doenças profissionais. O trabalho procura analisar estas questões em forma global, contribuindo para a reflexão das práticas exercidas no ensino escolar e universitário.

A principal contribuição deste trabalho, no modesto critério do autor, radica na idéia de usar as experiências em primeira pessoa como um recurso para acrescentar a riqueza plástica das unidades autopoiéticas humanas. Nesse sentido é que tenta-se abordar o problema sob uma perspectiva multidisciplinar.

Espera-se contribuir efetivamente na melhoria dos sistemas de ensino-aprendizagem suportados por novas tecnologias.

Finalmente, procura-se ferramentas computacionais de hadware e software para o desenvolvimento do modelo, que forneçam metodologias de modelagem para estas entidades fisicamente abstratas.