Arquitetura modular para ambientes virtuais de ensino de automação com suporte à realidade mista e colaboração

Abstract

Este trabalho apresentará estudos referentes a uma proposta de arquitetura para ambientes computacionais de suporte à colaboração para auxiliar o ensino e o treinamento em áreas multidisciplinares de engenharia de controle e automação. A motivação provém de evoluções de tecnologias da Web, redes sociais, ambientes virtuais, e mundos virtuais 3D que proporcionam sucessivas possibilidades inovadoras de emprego de tecnologia no ensino. Estas tecnologias podem ser usadas no ensino à distância ou de forma complementar (ensino híbrido) ao ensino-aprendizagem tradicional. O emprego de ambientes computacionais virtuais como incubadores para o desenvolvimento e criação de uma infinidade de materiais educacionais e didáticos torna-se crescentemente frequente na comunidade científica ao passo que instituições de ensino percebem o potencial desta iniciativa. A colaboração virtual entre estudantes dispersos geograficamente e a cooperação entre instituições de ensino diversas são indicadores do avanço destas metodologias. À medida que ambientes virtuais evoluem, podem-se empregar cada vez mais funcionalidades e tecnologias a este complemento ou ferramenta de ensino. É sabido que a prática laboratorial é de suma importância para aprendizagem de áreas tecnológicas, como a engenharia elétrica. Maneiras de expandir esta prática aliada a outras técnicas altamente defendidas na comunidade científica serão abordadas neste estudo, que sucede a um trabalho anterior do autor, no qual é proposto a conjunção de componentes de automação simulados com reais de forma a expandir cenários didáticos. A automação destes ambientes voltados ao ensino passa a se tornar real através de técnicas computacionais relacionadas a gerenciamento, monitoração e adaptação de conteúdo. Dentre as tecnologias e características englobadas pela arquitetura proposta estão: ambientes sociais, ambientes imersivos com visualização tridimensional (metaversos), tutoriamento virtual autônomo baseado em coleta de informações de interação, auxílio à colaboração de usuários, experimentos com componentes intercambiáveis de realidade mista e outras funcionalidades afins. De forma a propor uma implementação viável para este nicho de pesquisa foram desenvolvidos vários estudos de caso e um protótipo, chamado de 3D AutoSysLab, um ambiente imersivo virtual otimizado com ligações a experimentos de realidade mista, visualização de materiais educacionais e mídias interativas, auxílio à colaboração, e suporte à tutoriamento autônomo. Tanto testes do protótipo quanto a utilização dos estudos de caso serviram de validação experimental do trabalho. A validação da utilização ainda não se encontra completa embora resultados preliminares apontem a queda do índice de reprovação de estudantes da Engenharia Elétrica na UFRGS em uma determinada unidade curricular. O emprego de técnicas de acesso remoto além de proporcionar que instituições de ensino cooperem compartilhando recursos materiais/equipamentos também abre horizontes para a colaboração de estudantes entre instituições. Isso alavanca uma melhoria na qualidade do conjunto ensino-aprendizagem e também no emprego de recursos tecnológicos, o que pode, inclusive, representar uma alternativa econômica viável para a prática laboratorial.

This work will present studies towards a proposal of architecture for computer supported collaborative environments applied to enhance learning and training of multidisciplinary areas linked to automation and control engineering. Recent evolutions of Web technologies, social networks, virtual environments, and 3D virtual worlds motivate the adoption of new technologies in education, opening successive innovative possibilities. These technologies or tools can be used in distance education scenarios and/or can also enhance traditional learning-teaching (blended or hybrid learning scenario). The use of virtual environments as breeding grounds for creation and display of learning and didactical materials is a trend among educational institutes since they realized the potential of this endeavor. Physically dispersed and geographically distant students can collaborate in virtual learning environments as well as educational institutions, proving the advance of learning methodologies involving technology. New functionalities to this teaching and learning complementary tool can be added as virtual environments continually evolve. It is known and a wide advocated issue that laboratorial practice is essential to technical education, foremost in engineering. Expanding and obtaining the optimal results from this practice allied to other tools can be seen as the natural continuation of previous work from the author, in which is described a strategy to use mixed reality interchangeable components applied in didactic experiments to broaden learning scenarios. The automation of virtual learning environments is beginning to mature through computational techniques related to management, monitoring and content adaptation. In order to develop a feasible implementation to this research area, several case studies and a prototype were elaborated, the last called 3D AutoSysLab, in which a metaverse is used as interface, experiments are linked to virtual objects representations, learning objects are displayed in a simple way with interactive medias and simple collaboration and feedback is given through an autonomous tutoring system. The experimental validation was based on the use and evaluation of the prototype and his separated modules (case studies). Preliminary results showed that the failure rate, in a determined curriculum unit from the Electrical Engineering of UFRGS, has dropped and the student’s acceptance was very high in a blended learning scenario. The remote experimentation brings up the possibility to narrow different learning institutions in cooperation, this way sharing material resources (equipments) and closing up students. From cooperation and collaboration is expected a leveling and optimization of quality of the pair teaching-learning, as well as a better employment of economical resources.