Gamificação no Ensino-Aprendizagem de Algoritmos e Lógica Aplicada a Computação

173 Pages·2017·8.85 MB·Portuguese

Gamificação no Ensino-Aprendizagem de
Algoritmos e Lógica Aplicada a Computação

José Ribamar Azevedo dos Santos
Janeiro / 2018

Dissertação de Mestrado em Ciência da
Computação
Gamificação no Ensino-Aprendizagem de Algorítmicos e
Lógica Aplicada a Computação

Esse documento corresponde a dissertação de
mestrado apresentado à Banca Examinadora no curso
de Mestrado em Ciência da Computação da Faculdade
Campo Limpo Paulista.

Campo Limpo Paulista, 31 de janeiro de 2018.

José Ribamar Azevedo dos Santos

Prof.ª Dra. Ana Maria Monteiro (Orientadora)
FICHA CATALOGRÁFICA

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Câmara Brasileira do Livro, São Paulo, Brasil.

Santos, José Ribamar Azevedo dos
Gamificação no ensino-aprendizagem de algoritmos e
lógica aplicada a computação / José Ribamar Azevedo
dos Santos. Campo Limpo Paulista, SP: UNIFACCAMP,
2018.

Orientadora: Profª. Drª. Ana Maria Monteiro
Dissertação (Programa de Mestrado em Ciência da
Computação) – Centro Universitário Campo Limpo
Paulista – UNIFACCAMP.

1. Gamificação. 2. Informática na educação. 3.
Elementos de jogos. 4. Algoritmo. 5. Pensamento
computacional. 6. Lógica aplicada a computação. I.
Monteiro, Ana Maria. II. Campo Limpo Paulista. III.
Título.

CDD-005.1
Agradecimentos

Agradeço, primeiramente, a Deus por me conceder saúde, força e sabedoria essenciais
para a realização deste trabalho.

Aos familiares, minha gratidão pelo apoio incondicional e por se fazerem presentes em
todos os momentos de nossas vidas, colaborando para o sucesso acadêmico ora alcançado.
Agradeço em especial à minha querida mãe, Maria Eline Azevedo dos Santos, que, nos
últimos anos, têm passado por momentos muitos difíceis mais que sempre nos motivou a
seguir em frente. A ela, toda a minha imensa gratidão e amor.

Agradeço a minha orientadora, Prof. Dr. Ana Maria Monteiro, pela paciência e
receptividade demonstrada às minhas ideias, fornecendo todas as condições para que a
nossa criatividade pudesse ser explorada com eficiência e direcionada à obtenção dos
resultados que o ofício da pesquisa acadêmica exige.

Aos meus colegas de sala de aula que contribuíram muito para tornar o tempo dedicado
ao mestrado mais prazeroso e instigante, em especial, Sergio Santos e Raquel Coelho, que
muito me ajudaram nesta jornada aos amigos Wellingthon, João Ursino, Leonardo,
Mauricio, Rodrigo, Ricardo, Povlas, Paulo, Hugo, Rodrigo, Manoel, Anderson, Maitê,
Gustavo, Humberto, Chaves, Edemar, Antônio... em cuja competência me inspirei ao
longo do curso.

Gostaria de expressar a minha gratidão aos professores da banca avaliadora, Marcelo
(FACCAMP) e Rodrigo Bonacin (FACCAMP), pelo tempo dedicado à leitura e
apreciação do meu trabalho e pelas sugestões e críticas que contribuíram para melhorar
substancialmente o conteúdo apresentado nesta dissertação.

Agradeço aos meus amigos Valdir Figueira, Juliana Guimarães e Agda Figueira, pelos
bons momentos passados juntos e pelo acolhimento durante todo o tempo de estudos em
São Paulo.

Agradeço a prof. Dr. Djalmira de Sá Almeida Barros e a Maria da Vera Cruz Almeida
Pinto pela grande contribuição dada na revisão ortográfica da dissertação.

Aos meus amigos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – IFPA
e aos alunos participantes da pesquisa, em especial aos da turma de Tecnologia em Análise
e Desenvolvimento de Sistemas (TADS 2014).

Por fim, destaco o trabalho de todos os funcionários da FACCAMP. A eles o meu especial
agradecimento.
Resumo: Gamificação é uma técnica que usa elementos de design de jogos em
contextos não-jogos, com o objetivo de envolver e motivar as pessoas. Esta trabalho
buscou analisar o potencial da gamificação para o ensino-aprendizagem dos fundamentos
de algoritmo e lógica aplicada a computação. Para tal, realizou-se uma busca na literatura
científica por meio das metodologias ad-hoc e de mapeamento sistemático com objetivo
de identificar, principalmente, estudos primários voltados ao ensino e aprendizagem de
algoritmos. Na primeira fase da pesquisa elaboraram-se experimentos: trilha de estruturas
condicionais, quebra-cabeça de portas lógicas, ordenar um conjunto de valores, definir a
operação inversa, seguir uma sequência lógica, repetir um conjunto de instruções,
encontrar o caminho mais curto, entre outras. Na segunda fase da pesquisa, foram feitos
os experimentos gamificados com e sem o uso de um protótipo de software. O alvo da
pesquisa foram alunos, de uma instituição pública, recém ingressos no Ensino Médio e
Ensino Superior, ambos, da área de informática. Esta pesquisa caracteriza-se quanto à
metodologia como pesquisa aplicada, com finalidade exploratória na qual foram
empregados tanto métodos qualitativos quanto quantitativos. Os resultados obtidos, a
partir da análise dos grupos de controle e experimental e da observação
dos resultados dos pré e pós-testes sugerem uma correlação positiva entre a capacidade de
aprender por meio de conteúdo gamificado e a melhora no desempenho dos alunos em
conteúdo de algoritmo e lógica aplicada a computação.
Palavras-chave: gamificação; informática na educação; elementos de jogos, algoritmo;
pensamento computacional; lógica aplicada a computação.
Linha de Pesquisa: Informática na Educação, gamificação.
Abstract: Gamification is a technique that uses game design elements in non-game
contexts, with the goal of engaging and motivating people. The research analyses the
potential of gamification for teaching and learning computational thinking regarding the
thematic of algorithms. For that, a search was made in the scientific literature through ad-
hoc methodologies and systematic mapping with the objective of identifying, mainly,
primary studies aimed at the teaching and learning of algorithms. In the first phase of the
research the experiments related to conditional structure, logical door jigsaw, treasure hunt
competition, order a set of values, set the reverse operation, follow a logical sequence,
repeat a set of instructions and find the shortest path were developed. In the second phase
of the research, were carried out experiments without and with the use of a software
prototype developed. In addition, the results of prototype usability and knowledge tests
are analysed. The aim of the research were students from a public institution, with recent
admission to high school and higher, both from the area of computer science. This research
is characterized as an applied research, with exploratory purpose where both qualitative
and quantitative methods were used. The results obtained from the analysis of the control
and experimental groups and the observation of the results of the pre- and post-tests
suggest a positive correlation between the ability to learn through gamified content and
the improvement in student performance in algorithm and logic applied to computing.
Keywords: gamification; informatics in education; game elements; algorithm; computational
thinking; logic applied to computing.
Research Line: Informatics in education, gamification.
Sumário
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1
1.1 CONTEXTO E MOTIVAÇÃO ......................................................................................................................... 2
1.2 OBJETIVOS E METAS ................................................................................................................................. 4
1.3 MATÉRIAS E MÉTODOS ............................................................................................................................. 5
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ..................................................................................................................... 7
CAPÍTULO 2 REFERENCIAL TEÓRICO E TRABALHOS RELACIONADOS ........................................................ 8
2.1 ENSINO-APRENDIZAGEM ........................................................................................................................... 8
2.2 DIFICULDADES NO ENSINO-APRENDIZAGEM DE ALGORITMOS ......................................................................... 10
2.3 PENSAMENTO COMPUTACIONAL ............................................................................................................... 12
2.4 ELEMENTOS BÁSICOS DE UM JOGO ............................................................................................................ 13
2.5 PERFIL DOS ALUNOS - TAXONOMIA DE BARTLE ............................................................................................ 14
2.6 MOTIVAÇÃO ......................................................................................................................................... 15
2.7 GAMIFICAÇÃO ....................................................................................................................................... 16
2.8 EXEMPLOS DE GAMIFICAÇÃO .................................................................................................................... 18
2.9 TRABALHOS RELACIONADOS ..................................................................................................................... 21
2.9.1 Trabalho 1 - Sheldon ................................................................................................................. 21
2.9.2 Trabalho 2 - Bell ........................................................................................................................ 23
2.9.3 Trabalho 3 - Kapp ...................................................................................................................... 23
2.9.4 Trabalho 4 - Koster .................................................................................................................... 24
2.9.5 Trabalhos SBIE ........................................................................................................................... 26
CAPÍTULO 3 MAPEAMENTO SISTEMÁTICO ............................................................................................ 31
3.1 DEFINIÇÃO DE MS ................................................................................................................................. 31
3.2 PROTOCOLO DO MAPEAMENTO SISTEMÁTICO ............................................................................................. 31
3.2.1 Perguntas de pesquisa .............................................................................................................. 32
3.2.2 Strings de busca ........................................................................................................................ 32
3.2.3 Seleção dos estudos .................................................................................................................. 33
3.2.4 Extração dos dados ................................................................................................................... 34
3.3 RESULTADOS ......................................................................................................................................... 34
3.3.1 Pontos fortes e fracos ............................................................................................................... 35
3.3.2 Estudos relevantes .................................................................................................................... 35
3.4 RESPOSTAS AS QUESTÕES DO MAPEAMENTO SISTEMÁTICO ............................................................................ 37
3.5 ANÁLISE DOS TRABALHOS RELACIONADOS DE RELEVÂNCIA .............................................................................. 38
CAPÍTULO 4 ATIVIDADES GAMIFICADAS SEM O USO DO COMPUTADOR .............................................. 43
4.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO A ............................................................................................................... 44
4.2 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO B ............................................................................................................... 45
4.3 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO C ............................................................................................................... 47
4.4 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO D ............................................................................................................... 48
4.5.1 – Início da gincana .................................................................................................................... 49
4.5.2 – Primeiro desafio ..................................................................................................................... 49
4.5.3 - Segundo desafio ...................................................................................................................... 51
5.5.4 - Terceiro desafio ....................................................................................................................... 53
4.5.5 - Quarto desafio ........................................................................................................................ 55
4.5.6 – Fim da gincana ....................................................................................................................... 56
4.5 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO E ................................................................................................................ 57
CAPÍTULO 5 PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE ........................................................... 60
5.1 ENGENHARIA DE REQUISITOS.................................................................................................................... 60
5.1.1 Requisitos do Sistema ............................................................................................................... 61
5.1.1.1 Requisitos Funcionais ........................................................................................................................ 61
5.1.1.2 Requisitos Não-Funcionais ................................................................................................................ 62
5.1.2 Diagrama de Casos de Uso ....................................................................................................... 63
5.1.3 Diagrama de Sequência ............................................................................................................ 66
5.2 Prototipação ................................................................................................................................ 69
5.2.1 Caracterização do Protótipo ..................................................................................................... 71
5.3 Teste de Usabilidade .................................................................................................................... 77
5.3.1 Execução do teste de Usabilidade ............................................................................................. 78
5.3.2 Ambiente de teste ..................................................................................................................... 79
5.3.3 Realização do teste ................................................................................................................... 80
5.2 RESULTADOS DO TESTE DE USABILIDADE ..................................................................................................... 81
5.2.1 Percepção do usuário de ensino médio sobre o protótipo ........................................................ 81
5.2.2 Percepção do usuário de Ensino Superior sobre o protótipo..................................................... 88
CAPÍTULO 6 DESCRIÇÃO DO TESTES DE CONHECIMENTO E RESULTADOS ............................................. 94
6.1 TESTES DE CONHECIMENTO 1 ................................................................................................................... 94
6.1.1 Questionários utilizados ............................................................................................................ 95
6.1.2 Hipóteses de Pesquisa ............................................................................................................... 95
6.2 TESTES DE CONHECIMENTO 2 ................................................................................................................... 96
6.2.1 Questionários utilizados ............................................................................................................ 96
6.2.2 Experimento e suas etapas ....................................................................................................... 96
6.2.3 Questões de pesquisa - protótipo de software ......................................................................... 97
6.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS TESTES ...................................................................................................... 97
6.3.1 Dados de 2013 .......................................................................................................................... 97
6.3.2 Dados de 2014 .......................................................................................................................... 98
6.3.3 Comparações entre os resultados de 2013 e 2014 ................................................................... 99
6.3.4 Dados de 2015 ........................................................................................................................ 100
6.3.5 Dados de 2016 ........................................................................................................................ 100
6.3.5.1 Dados de 2016: Ensino Médio ......................................................................................................... 101
6.3.5.2 Dados da turma de Ensino Superior 2016 ....................................................................................... 103
6.3.6 Resposta as questões de pesquisa: Ensino Médio ................................................................... 105
6.3.7 Resposta às questões de pesquisa: Ensino Superior ............................................................... 106
CAPÍTULO 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................................. 108
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 110
APÊNDICE I – QUESTIONÁRIOS APLICADOS AOS ALUNOS ................................................................... 119
APÊNDICE II – FORMULÁRIO APLICADO APÓS O TESTE DE USABILIDADE ............................................ 123
APÊNDICE III – IMAGENS DOS EXPERIMENTOS ................................................................................... 131
APÊNDICE IV – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO (TCLE)......................................... 136
APÊNDICE V – DOCUMENTO DE ESPECIFICAÇÃO DE REQUISITOS DE SOFTWARE ................................ 138
APÊNDICE VI – ARTIGOS PUBLICADOS ................................................................................................ 148
Glossário
ACM - Association for Computing Machinery
CSTA – Computer Science Teachers Association
EM – Ensino Médio
ES – Ensino Superior
EUA - Estados Unidos da América
IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers
ISTE - International Society for Technology in Education
MMORPG - Massive Multiplayer On Line Real-Time Playing Game
MS - Mapeamento Sistemático
NSF - National Science Foundation
Q1 - Questão 1
Q2 - Questão 2
Q2L - Quest to Learn
Q3 – Questão 3
RA – Realidade Aumentada
REF - Requisitos Funcioanis
RNF - Requisitos Não-Funcionais
SBC - Sociedade Brasileira de Computação
SEAFAL - Sistema de suporte ao ensino-aprendizagem de algoritmo e lógica
TADS - Tecnologia em Analise e Desenvolvimento de Sistemas
UML - Unified Modeling Language
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Critérios de Inclusão e Exclusão ................................................................... 33
Tabela 2 - Estudos Primários Selecionados para Extração.............................................. 36
Tabela 3 - Artigo 1.......................................................................................................... 38
Tabela 4 - Artigo 2.......................................................................................................... 38
Tabela 5 - Artigo 3........................................................................................................... 39
Tabela 6 - Artigo 4........................................................................................................... 39
Tabela 7 - Artigo 5........................................................................................................... 40
Tabela 8 - Artigo 6........................................................................................................... 40
Tabela 9 - Artigo 7........................................................................................................... 41
Tabela 10 - Caso de Uso 'Transferir Dados' .................................................................... 69
Tabela 11 - Facilidade de Uso (Ensino Médio) ............................................................... 82
Tabela 12 - Utilidade do Aplicativo (Ensino Médio) ...................................................... 83
Tabela 13 - Interface do Aplicativo (Ensino Médio) ....................................................... 84
Tabela 14 - Ensino-Aprendizagem (Ensino Médio) ........................................................ 86
Tabela 15 - Elementos de Jogo (Ensino Médio).............................................................. 87
Tabela 16 - Facilidade de Uso (Ensino Superior)............................................................ 89
Tabela 17 - Utilidade do Aplicativo (Ensino Superior) ................................................... 90
Tabela 18 - Interface do Aplicativo (Ensino Superior) ................................................... 91
Tabela 19 - Ensino-Aprendizagem (Ensino Superior) .................................................... 92
Tabela 20 - Elementos de Jogo (Ensino Superior) .......................................................... 93
Tabela 21 - Pré e pós-teste com metodologia de ensino tradicional ............................... 98
Tabela 22 - Pré e pós-teste com metodologias de ensino gamificada ............................. 98
Tabela 23 - Estatística do teste de conhecimento - turmas 2013 e 2014 ......................... 99