Desenvolvimento de jogos para aplicacao como ferramenta deensino de paradigmas de programacao

Rayanne M. C. Silveira1, Alex Oliveira Barradas Filho1 e Allan Kardec Dualibe Barros1

1Universidade Federal do Maranhao (UFMA)Av. dos Portugueses, 1966 Bacanga – 65.080-805 – Sao Luıs – MA – Brasil

rayannesilveira17@gmail.com, barradas.alex@gmail.com, allan@elo.com.br

Abstract. In recent years, technological growth has provided major changes inalmost all sectors of human life , education is an example. New alternativemethodologies such as digital games are examples of tools that can enhancethe learning process when used properly. In this context, this paper proposes agame to help teach the discipline of programming paradigms .

Resumo. Nos ultimos anos, o crescimento tecnologico tem proporcionadograndes mudancas em praticamente todos os setores da vida humana, aeducacao e um exemplo. Novas metodologias alternativas como os jogos di-gitais sao exemplos de ferramentas que podem potencializar o processo deaprendizagem quando utilizados adequadamente. Nesse contexto, este traba-lho propoe um jogo para auxiliar o ensino da disciplina de paradigmas deprogramacao.

1. IntroducaoNos ultimos anos, o crescimento tecnologico tem proporcionado

grandes mudancas em praticamente todos os setores da vida humana[Deshpande and Huang 2011]. Na educacao, por exemplo, o processo de aprendi-zagem esteve por muito tempo direcionado somente ao acumulo de conhecimento mas,recentemente, o termo ”motivacao”tem assumido uma nova conotacao, principalmenteno que se refere as metas individuais e coletivas dos alunos.

Neste contexto, a motivacao para a aprendizagem tem sido amplamente estuda edebatida a fim de atrair cada vez mais a atencao dos alunos e oferecer mecanismos deaprendizagem pela aplicacao de novas metodologias de ensino, como atividades praticas,dinamicas e ludicas [Deshpande and Huang 2011].

Entre as novas metodologias estudadas, os jogos digitais sao exemplos de ferra-mentas que podem potencializar o processo de aprendizagem quando utilizados adequa-damente [Braghirolli et al. 2016]. Algumas vantagens dos jogos digitais, como instru-mento de auxılio no ensino, estao na melhor adaptacao ao ritmo de estudo do aluno e nacapacidade de ilustracao superior a do ensino tradicional [Simkova 2014].

No entanto, a utilizacao de jogos digitais no processo de aprendizado do ensinosuperior demonstra um desenvolvimento tımido quando comparado as aplicacoes nos en-sinos fundamental e medio [Pietruchinski et al. 2011] [Brom et al. 2010]. O desenvol-vimento de instrumentos educacionais e a realizacao de estudos com o uso de novasmetodologias de ensino superior, podem estimular tanto os professores como os alu-nos a utilizarem ferramentas computacionais em sala de aula para simulacoes praticas

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[Deshpande and Huang 2011]. Em outros termos, a ideia e proporcionar ao aluno umambiente sistematico para a exploracao de situacoes hipoteticas que permitam a interacaoem processos ou sistemas, mudancas de eventos e resolucoes de problemas praticos.

A engenharia da computacao, por exemplo, e uma area que oferece uma diver-sidade de aplicacoes tornando-se atrativa para pesquisas direcionadas a aprendizagembaseada em jogos digitais e a construcao de ferramentas educativas.

O trabalho de [Irvine and Thompson 2003] e um exemplo de jogo de simulacaoaplicado na engenharia da computacao, mais especificamente, na area de seguranca com-putacional. Atraves da simulacao de redes de computadores o aluno pratica diversostopicos da disciplina, tornando mais eficiente o ensino de conceitos fundamentais. A pes-quisa nao avalia o desempenho do jogo quantitativamente, mas apresenta uma estruturateorica que auxilia no ensino de conceitos da disciplina em questao.

No entanto, e importante que o desenvolvimento de jogos educacionais estejafundamentado em teorias de ensino como a reformulacao da taxonomia de Bloom[Bloom et al. 1964] conforme apresentado no trabalho de [Krathwohl 2002]. A aborda-gem de Krathwohl sugere um framework de classificacao de estados do que e esperado oupretendido no ensino dos estudantes como resultado de uma instrucao. Ressalta-se que ometodo fornece meios de estimular o raciocınio e abstracoes de alto nıvel, preservando osobjetivos institucionais [Ferraz et al. 2010].

Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um jogo edu-cacional que englobe os principais conceitos da disciplina de Paradigmas de Programacaoaplicando o metodo proposto por [Krathwohl 2002] e, a partir dos resultados obtidos com-provar que jogos educacionais podem contribuir no processo de aprendizagem. Em outrostermos, a ideia e proporcionar ao aluno da computacao uma ferramenta (jogo digital) queauxilie na fixacao do conteudo de diferentes paradigmas de programacao (estruturado,funcional, logico e orientado a objetos) de forma pratica e dinamica.

2. MetodologiaO trabalho seguiu uma metodologia que compreende diferentes etapas. O primeiro

passo e a definicao do problema, em outros termos, verifica-se a viabilidade da aplicacaode jogos serios no processo educacional no ensino superior.

A factibilidade do uso de jogos serios no processo de ensino foi, inicialmente,analisada por meio de livros e artigos cientıficos na area de educacao e gamificacao[Pietruchinski et al. 2011]. Nesse contexto, foram separados artigos com diferentes abor-dagens educacionais e formas de avaliacao de efetividade da aplicacao de jogos serios.

2.1. Desenvolvimento do Jogo

A etapa inicial consistiu na delimitacao do conteudo da disciplina de paradigmasde programacao. Para tanto, foram selecionados quatro dos principais paradigmas deprogramacao adotando como criterios a popularidade e importancia [Baranauskas 1993].Os quatro paradigmas abordados foram: estruturado, funcional, logico e orientado a ob-jetos.

Em seguida, foi realizada a identificacao dos elementos (categorias) daatual taxonomia de Bloom proposta em 2001 por Anderson, Krathwohl e Airasian

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[Krathwohl 2002].

A segunda etapa compos a implementacao do jogo tendo uma fase para cada pa-radigma abordado no trabalho, ou seja, o jogo possui as seguintes etapas: fase 01 - estru-turado, fase 02 - funcional, fase 03 - logico e fase 04 - orientado a objetos. Para cada fase,foram implementados tres nıveis de dificuldade e incorporados os elementos da taxono-mia de Bloom revista por Anderson, Krathwohl e Airasian [Krathwohl 2002].

A primeira fase abordou o paradigma estruturado e utilizou a linguagem Crepresentacao dos algoritmos, visando implementar uma conexao com o servidor. Na se-gunda fase foi empregada a linguagem LISP para representar o paradigma funcional paraencontrar as palavras-chave para descriptografar os arquivos encontrados no servidor.

A terceira fase abrangeu o paradigma logico e a linguagem utilizada foi o Prolog,a fim de realizar buscas na base de dados obtida na fase anterior. A ultima fase trata doparadigma orientado a objetos e adotou a linguagem JAVA para a codificacao, visando aimplementacao dos elementos de uma interface para acessar todas as informacoes que ospersonagens do jogo obtiveram nas fases anteriores.

De forma geral, os alunos utilizaram os conceitos aprendidos sobre paradigmasde programacao e as praticas realizadas na disciplina para alcancar os objetivos do jogo.O jogo proposto nao e multiplayer e foi desenvolvido utilizando a plataforma Unity En-gine[Engine ] que e uma multiplataforma que possibilita reutilizar a estrutura para di-versas plataformas como Web, Android, Windows, Linux e outros. O jogo proposto foidisponibilizado em uma versao para Windows, nao necessitando de conexao com a inter-net.

2.2. Avaliacao do Jogo

A avaliacao do jogo foi dividida em duas etapas: a primeira quantitativa e a se-gunda qualitativa. Para serem submetidos ao processo avaliativo, foram selecionados 14alunos com as seguintes caracterısticas: matriculados em alguma instituicao de ensinosuperior, cursando ciencia da computacao ou areas afins e que cursam ou ja cursaram adisciplina.

No primeiro momento, da avaliacao quantitativa, os alunos foram submetidos aum pre-teste composto por tres questoes para cada paradigma de programacao abordadona presente pesquisa (total de 12 questoes). Em seguida, o jogo foi disponibilizado paraos alunos. Apos a conclusao de todas as fases do jogo, os alunos foram submetidosa uma nova prova, que manteve a estrutura de tres questoes para cada paradigma deprogramacao.

No processo de avaliacao qualitativa, oos alunos responderam a um questionariocom o objetivo de uma avaliacao mais subjetiva do jogo. O questionario foi adaptado datese do autor Rafael Savi [Savi et al. 2011].

3. Resultados Parciais

Apos a realizacao do processo avaliativo, foi possıvel analisar o estado inicialdo conhecimento adquirido durante a disciplina de Paradigmas de Programacao, ondetambem foram constatadas algumas dificuldades dos alunos de acordo com a metodologia

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aplicada em sala de aula. Os resultados serao discutidos sob as perspectivas qualitativa equantitativa, de acordo com o processo de avaliacao.

Devido ao baixo numero de amostras, ja que apenas 14 alunos foramavaliados,optou-se por uma analise nao parametrica dos resultados obtidos baseada nomodelo utilizado por [Thiry et al. 2010], onde a validacao da hipotese proposta foi men-surada atraves do desempenho dos questionarios: pre-teste e pos-teste (12 questoes cada).

A hipotese inicial propoe que o uso de jogos educativos pode contribuir para me-lhorar a assimilacao de conteudos da disciplina de paradigmas de programacao, e para avalidacao dessa hipotese e necessario que a media dos alunos no questionario pos-testeseja superior a do questionario pre-teste.

Para essa analise, utilizando a media aritmetica, foi calculado o desempenho dosalunos em cada um dos questionarios. No primeiro questionario a media obtida foi de6.14 acertos, ja no segundo questionario pode-se perceber que houve um melhor desem-penho, onde a media foi de 7.64 acertos. Na figura 1, o grafico comparativo ilustra odesempenho dos alunos na primeira e na segunda serie de questionarios, onde 78% dosalunos obtiveram um desempenho melhor apos o jogo.

Figura 1. Grafico de Desempenho

Apos validada a hipotese, e necessario tambem discutir a respeito dos fatores quepodem ter influenciado para o melhor desempenho dos alunos. A teoria de ensino naqual o jogo e baseado possui uma estrutura que contribui para a reaquisicao de um co-nhecimento que o aluno possui. A estrutura proposta por [Krathwohl 2002] na revisao dataxonomia de Bloom possibilita que os alunos recordem o que foi visto em sala de aula.

Para a conclusao das fases do jogo era necessario executar o raciocınio seguindoas etapas de aprendizado da taxonomia de Bloom. Logo, pode-se perceber que os alunosque tiveram as aulas condizentes com todos os conteudos abordados no jogo, nao sotiveram resultado superior a media no pre-teste como tambem uma melhora no resultadodo pos-teste.

Na avaliacao qualitativa, aspectos como conteudo e atratividade do jogo, foramavaliados pelos alunos. Em media, as avaliacoes da interface do jogo foram positivas,assim como o conteudo abordado e a capacidade de atrair e manter a atencao dos alunos.

Outro aspecto com avaliacoes positivas foi a facilidade de compreensao do jogo.O jogo possui um contexto onde os diferentes paradigmas sao aplicados em diversas

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situacoes, entretanto a forma de interacao do jogador com o jogo e mantida. A estruturabasica da interface consiste em completar, atraves de botoes com informacoes, algunscodigos de acordo com a situacao criada na fase. Esse mecanismo esta ilustrado na figura2.

(a) Menu inicial (b) Estrutura das fases (c) Tela de erro

(d) Tela de fase concluıda

Figura 2. Estrutura do jogo desenvolvido

A interface proposta teve uma taxa de aceitacao de 85% dos alunos que partici-param da avaliacao, atingindo a media de 1.7 na escala onde -2 e ruim e 2 e muito bom.Outro fator que pode ter contribuıdo para a boa avaliacao da interface foi o sistema dedicas, que exibia uma tela com sugestoes a respeito dos erros encontrados na resposta.

Alem dos aspectos positivos, foi possıvel perceber a necessidade de algumasadaptacoes futuras para obtencao de um melhor desempenho, como promover interacaodos alunos entre si. Algumas dessas sugestoes serao aplicadas para dar continuidade aotrabalho, tendo em vista que os resultados apresentados sao apenas parciais.

O jogo proposto nao e multiplayer, entretanto, 80% dos alunos apontaram queseria interessante o jogo promover interacao ou competicao entre os jogadores. Quantoao conteudo do jogo, alem do feedback apontar que para os alunos o conteudo estavainteressante, 93% dos alunos afirmaram que o jogo contribuiu bastante para o aumento doseu conhecimento a respeito do conteudo abordado.

4. Consideracoes FinaisCom base na aplicabilidade de jogos educativos no ensino superior, o estudo rea-

lizado com a disciplina de paradigmas de programacao apresentou resultados condizentescom a literatura, onde o jogo mostrou-se apropriado para a proposta apresentada.

Com os resultados parciais foi possıvel validar a hipotese de que o uso de jogoseducativos pode contribuir para melhorar a assimilacao de conteudos da disciplina, jaque a media de acertos obtida no questionario pos-teste foi superior a do primeiro ques-tionario, significando uma maior capacidade de compreensao, assimilacao e ate mesmo,um maior conhecimento adquirido pelos alunos apos a aplicacao do jogo.

Em trabalhos futuros, serao realizadas algumas modificacoes como o aumento dobanco de questoes, um dos fatores apontados na avaliacao qualitativa realizada. Alemdisso, apesar do desenvolvimento de uma interface padrao ter facilitado a jogabilidade,

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pretende-se elaborar outras formas de interacao entre o usuario e o jogo, pois 87,5% dosalunos consideram que isso pode tornar o jogo mais atrativo.

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