Inteligência Artificial a serviço da educação

Tutor artificial ensina álgebra de maneira divertida e gamificada, aumentando o engajamento dos estudantes e auxiliando no aprendizado

MICHELLI MACHADO

O PAT2Math é um tutor inteligente que foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada da Unisinos pela professora Patrícia Jaques. “Sistemas de tutores inteligentes são ambientes computacionais que buscam prover um professor particular para cada aluno”, afirma Patrícia.

Existem diversos tipos de sistemas tutores, como por exemplo, baseado em conversação, que ensinam conteúdo aos alunos a partir de um diálogo. O PAT2Math é um sistema tutor baseado em passos, que ensina álgebra. “Como outros tutores desse tipo, ele busca assistir o aluno durante a resolução de exercícios, assim como um professor faria. Ou seja, ele não espera a resposta final para dizer para o aluno que está errado. Durante o desenvolvimento da tarefa, ele mostra o que está certo e errado e assiste os estudantes com explicações para as suas dúvidas. O estudante erra quantas vezes for preciso, segue no seu ritmo próprio. É totalmente individualizado. É como um professor particular, mas esse professor é um programa de Inteligência Artificial”, explica a pesquisadora.

Respeitando o tempo de cada um

De acordo com a professora, o PAT2Math ajuda os alunos na resolução de equações algébricas de 1º grau e tem sido utilizado por estudantes do 7º ano de escolas parceiras. “Ele é um sistema web, assim não é necessário instalar nada na máquina dos alunos. Eles precisam apenas de um navegador web”, destaca.

O tutor acompanha o aluno permitindo que ele resolva as equações passo a passo, assim como ele faria para resolver com papel e caneta. “O aluno pode resolver da maneira que preferir, fornecer muito detalhadamente cada passo, ou apenas a resposta final”, ressalta Patrícia.

“O sistema emprega diversos algoritmos de inteligência artificial para corrigir os passos dos alunos, inferir os conhecimentos dele baseado em suas respostas e mostrar ao aluno como fazer.”

Patrícia Jaques

O sistema tutor respeita o tempo de cada um, pois emprega diversas estratégias em consonância com teorias de aprendizagem baseada em evidências da área de Ciência de Aprendizagem, como a teoria da carga cognitiva, de forma a potencializar a aprendizagem dos estudantes. A pesquisadora conta que são usados exemplos de demonstração interativa de como resolver um certo tipo de problema ou aprender um novo conteúdo. “Também usamos gamificação, elementos de jogos, tais como pontuação e ranking, para engajar os estudantes”, afirma.

Crédito:Patrícia Jaques

A matemática como foco

Patrícia conta que estava interessada em estudar as emoções dos estudantes na aprendizagem pois, além de sistemas tutores, também trabalha com computação afetiva. “Na computação afetiva, estamos interessados em detectar as emoções, traços de personalidade e outros estados afetivos dos estudantes a fim de responder adequadamente a eles. Por exemplo, se o aluno está frustrado com seu desempenho, como motivá-lo para que ele não desista? Se o estudante não está focado, que estratégias usar para auxiliá-lo a se focar novamente? Nesse caso, eu escolhi a matemática pois esse é um domínio que envolve muitas emoções negativas por parte dos alunos, bloqueio em relação ao conteúdo, medo de errar e sentimento de incapacidade. Em especial, a álgebra é conhecida por ser um conteúdo em que os alunos possuem muitas dificuldades, pois eles começam a trabalhar com incógnitas, variáveis, equações e noções mais abstratas”, explica.

O PAT2Math vem sendo desenvolvido por diversos alunos de doutorado, mestrado, iniciação científica e em trabalhos de conclusão de graduação desde 2008. “Ele é um sistema complexo e os estudantes contribuíram com módulos ou melhorias desses módulos. Realizamos diversos testes de módulos que adicionamos no PAT2Math. Os testes sempre envolveram experimentos controlados em que os estudantes responderam testes antes e no final do experimento de avaliação e verificamos se essa diferença foi significativa usando testes estatísticos, o que é chamado de avaliação experimental”, aponta.

Patrícia diz que foi realizada uma pesquisa baseada em evidências, buscando integrar na versão consolidada do PAT2Math, o que mostra efeitos positivos à aprendizagem. “Nossos experimentos seguem diretrizes de pesquisa experimental com qualidade e foram autorizados pelo comitê de ética da Unisinos. Nas versões testadas, verificamos que houve uma melhora de aprendizagem dos estudantes. Também tivemos relatos do gestor da escola que utiliza o PAT2Math há mais tempo, que os professores do 8º ano relataram que os estudantes estão chegando com maior domínio em resolução de equações algébricas desde que a escola começou a utilizar o PAT2math como parte das atividades curriculares no 7º ano”, conta.

A professora relata que não foram realizados testes comparando estudantes que usaram o PAT2Math com estudantes que não usaram, pois isso envolve deixar um grupo de alunos sem acesso ao sistema, que é divertido e diferente, e isso geraria muita frustração. Mas estudos de sistemas tutores com características muito semelhantes ao PAT2Math mostraram que eles melhoram em média 0,6 desvio padrão em relação à aula convencional, o que é um ótimo resultado.

Escolas parceiras

O Colégio São Luís, em São Leopoldo, vem utilizando o PAT2Math desde 2014. “Uma vez por semana, os estudantes vão no laboratório da escola resolver equações no PAT2Math. É uma forma de aprender praticando, com o auxílio de um tutor artificial”, reforça Patrícia.

Em 2020, alunos do 7º ano do Colégio Anchieta vão usar o PAT2Math para resolver problemas algébricos com a assistência do tutor. No ano passado, o sistema foi usado como teste e, nesse ano, eles vão usar como parte das atividades curriculares, valendo nota. As atividades começam a partir de julho, com sete turmas, cerca de 260 alunos. “Eles vão praticar remotamente com a ajuda do tutor artificial”, afirma.

Um novo jeito de aprender

A pesquisadora acredita que a inteligência artificial, como os sistemas tutores, pode ajudar estudantes e professores. “Para os alunos, a grande questão é a assistência individualizada. Ter um tutor artificial que lhe ajude fornecendo correções e provendo retorno personalizado de acordo com o seu próprio progresso e desempenho é muito benéfico para a aprendizagem. Vários estudos mostram que esse tipo de ensino individualizado é o que leva a maior aprendizagem. E os sistemas tutores fazem isso respeitando o ritmo de cada um. Esse é o maior desafio das escolas, assistir todos os estudantes que têm ritmos diferentes de forma personalizada e acredito que os tutores e a inteligência artificial podem ajudar nisso”, destaca.

Segundo Patrícia, é preciso ficar claro que esse sistema não substitui o professor. “Tanto na sala de aula quanto na educação online, a utilização dos tutores pode possibilitar que o professor consiga dedicar um espaço maior do seu tempo aos alunos com mais dificuldade. Igualmente, na educação online, o sistema tutor pode oferecer assistência individual ao aluno quando o professor não se encontrar online”, reforça.

Crédito: Patrícia Jaques

Atualmente, esses sistemas têm sido desenvolvidos com o intuito de mostrar ao professor os dados do aluno, o que lhe permite, através das informações monitoradas e detectadas, um acompanhamento do progresso do estudante e uma avaliação continuada. “No lugar daquela prova, naquele dia em que estamos com dor de barriga, dor de cabeça ou que o pet da família adoeceu, a avaliação é realizada no dia a dia pelo progresso do aluno”, ressalta a pesquisadora.

“Para os alunos, a grande questão é a assistência individualizada. Ter um tutor artificial que lhe ajude fornecendo correções e provendo retorno personalizado de acordo com o seu próprio progresso e desempenho é muito benéfico para a aprendizagem”

Patrícia Jaques

Um olhar para o futuro

Cada vez mais se fala da importância do ensino individualizado, de atender de forma personalizada cada estudante, respeitando seu ritmo, seu background e seu conhecimento. Os sistemas tutores podem auxiliar para transformar essa demanda em realidade, fornecendo assistência personalizada. “Vejo um futuro em que haveria pequenos momentos de aulas expositivas em que os professores explicariam os conceitos e após os estudantes iriam resolver problemas com a assistência individualizada desses tutores, cada um no seu ritmo. Os professores estariam juntos com os alunos, podendo dedicar mais atenção àqueles com mais dificuldade, ajudando em dúvidas mais complexas. O professor planejaria suas aulas com esses sistemas e teria uma interface própria para visualização e relatórios dos progressos dos alunos”, projeta Patrícia.

Para ela, esse retorno do sistema ajudaria os professores a planejarem, de forma mais dinâmica, suas aulas. “Por exemplo, ele poderia verificar que muitos alunos estão tendo dificuldade com um tipo de equação ou com uma operação algébrica e poderia dedicar um tempo maior para explicar esses conceitos e oportunizar mais atividades de prática para eles”, reforça.

Num futuro um pouco mais distante, a pesquisadora vê o uso de sistemas tutores emocionais. “As pesquisas têm avançado muito nesse sentido. Além de fornecer assistência personalizada ao conhecimento do aluno, esses tutores se adaptariam às emoções do aluno também. Hoje sabe-se que a confusão, pode ter um papel duplo na aprendizagem. Ao mesmo tempo que leva o estudante à ação, a alocar recursos cognitivos para resolver essa confusão, se persistir durante muito tempo pode levar à frustração e ao tédio, que se sabe que tem efeito negativo na aprendizagem. Assim, o meu grupo de pesquisa tem trabalhado na identificação automática da confusão e no melhor momento para intervir de forma que o estudante resolva sua confusão para se manter engajado”, afirma.

Crédito: Patrícia Jaques

Durante a pandemia

No modo de educação em ambientes virtuais que estamos vivendo durante o isolamento social, o sistema pode passar aos alunos a sensação de ter mais presença, pois no lugar de estar resolvendo as tarefas sozinho, em sua casa, o estudante vai resolver os problemas de matemática com ajuda do tutor artificial.

“Como o sistema tutor ajuda a grande maioria dos alunos, o professor tem mais tempo para se dedicar a quem tem mais dificuldades e para preparar suas aulas. Além disso, os tutores podem ser usados como forma de passar tarefas para os alunos. Os dados dos tutores podem ser utilizados pelos professores como forma de avaliação, diminuindo seu tempo em tarefas de correção e, portanto, havendo mais tempo para se dedicar em atividades mais construtivas de planejamento de aula”, pondera Patrícia.

PAT2Math acessível a todos

O PAT2Math é um sistema web, que está disponível no endereço http://pat2math.unisinos.br. Qualquer pessoa pode acessar e usar gratuitamente, desde que possua um computador com navegador e acesso internet.

“Para as escolas ele é indicado para o 7º ano, quando o conteúdo de resolução de equações algébricos é visto. Sugiro que os professores interessados me contatem (pjaques@unisinos.br), pois podemos realizar o cadastro de vários alunos, associar as turmas e fornecer relatórios aos professores dos progressos dos estudantes” finaliza.