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Adaptive Specifications and Emotions: Model of Narrative Generation for Interactive Learning Environments

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Adaptive Specifications and Emotions: Model of Narrative Generation for Interactive Learning Environments I. S. Vega Abstract The use of narrative structures in learning environments for teaching computer
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Adaptive Specifications and Emotions: Model of Narrative Generation for Interactive Learning Environments I. S. Vega Abstract The use of narrative structures in learning environments for teaching computer programming is an acknowledgment of the storytelling importance in the classroom. Automatic generation of such narratives is one of the research themes of GEMS. This paper presents an adaptive specification of the mechanism that generates narratives considering only the charac- ters emotional facet. The writing process the of specification included an emotional state machine ornated with adaptive methods. Such methods help to organize the behavioral specification of the state machine. The end result takes the form of an executable prototype which demonstrates the operation of the narratives generation mechanism. Keywords Adaptive Methods, Adaptive Specifications, Affective Computing, Modularization, Narrative-centered Learning, Object-oriented Modeling, Software Design, State Machine, UML. I. INTRODUÇÃO GRUPO de Pesquisa em Modelagem de Sistemas de O Software (GEMS) realiza um estudo a respeito da elaboração automática de roteiros narrativos para ambientes interativos de aprendizagem de programação de computadores. O trabalho de pesquisa parte da hipótese que histórias de casos de programação auxiliam na aquisição de conhecimento dos estudantes: We do use storytelling in the contemporary teaching of technical subjects, even though I believe that much more is possible and needed. My purpose here is to identify, justify, salute, dissect, and propagandize such use. Papadimitriou [1] Em particular, a expressão war stories foi utilizada para referenciar casos ilustrativos de situações vivenciadas por Skiena: War Stories In practice, algorithm problems do not arise at the beginning of a large project. Rather, they typically arise as subproblems when it becomes clear that the programmer does not know how to proceed or that the current solution is inadequate. Skiena [2] I. S. Vega, Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP), São Paulo, capital, Brasil, Na pesquisa realizada pelo GEMS, os roteiros seguem a linha da interative fiction (ficção interativa) na qual uma história inventada se caracteriza pela ação recíproca e troca de informações entre o contador da história e os estudantes (neste caso) com o suporte de um computador convenientemente programado [3]. Rowe et al. indicam ser este um caminho que motiva o estudante em um ambiente de aprendizagem [4]. A elaboração dos roteiros faz uso de uma técnica concebida especificamente para este propósito chamada OCC-RDD, um acrônimo de Objetivo-Contratempo-Catástrofe-Reação- Dilema-Decisão [5]. A Técnica estabelece uma trama-base e um conjunto de personagens modelados com a intenção de favorecer a interação de um estudante de programação com a história da narrativa apresentada pelo docente na sala de aula. Este artigo apresenta a especificação adaptativa do mecanismo de geração automática de narrativas sob o ângulo da faceta emocional dos personagens. A técnica de elaboração de especificações adaptativas proposta por Vega [6] foi utilizada com a finalidade de se estudar a influência de diferentes fatores de geração de texto em uma arquitetura dirigida por comportamentos. Também, como resultado deste trabalho, foi produzido um protótipo do mecanismo de geração automática de trechos de narrativas que servem como base para a elaboração de roteiros de aulas inspirados em ficção interativa. Em termos organizacionais, o artigo tem a seguinte estrutura. A Seção II contextualiza a técnica OCC-RDD, destacando-se o papel da trama OCC-RDD e a sua relação com a ficção interativa. A Seção III apresenta o modelo de um personagem OCC-RDD sob o ângulo das facetas de conhecimento, aprendiz e personalidade. Na Seção IV apresenta-se o modelo de emoção compatível com a técnica OCC-RDD. Trata-se de um modelo que procura contemplar as emoções experimentadas por um estudante durante o processo de aprendizagem e que influenciarão os trechos de histórias a serem gerados automaticamente. A Seção V traz a especificação adaptativa do modelo de emoção OCC-RDD a ser implementado. Na Seção VI são considerados os aspectos arquiteturais do modelo de implementação, destacando-se as preocupações com a modularização, coesão e acoplamento. Também, naquela seção, mostram-se excertos do código diretamente relacionados à arquitetura elaborada a partir das especificações adaptativos do modelo de emoção OCC-RDD. A Seção VII encerra o artigo com uma discussão dos resultados e propostas de trabalhos futuros. II. TÉCNICA OCC-RDD Com o propósito de estabelecer uma estrutura narrativa trama para a elaboração de histórias a serem apresentadas em ambientes interativos de aprendizagem, o GEMS propõe a técnica OCC-RDD. O objetivo desta pesquisa é na criação de um ambiente eficiente de aprendizagem e de experiências para os estudantes de computação. Em particular, existe a preocupação com o lado docente: que tipo de suporte deve ser oferecido para um estudante noviço na área computacional? Esta também é uma preocupação demonstrada por Robins [7]. Central à pesquisa, encontra-se a história da narrativa com trama OCC-RDD. A história apresenta eventos e ações (imaginários ou reais) que se referem à modificação no curso natural das coisas. Na Técnica, as mudanças decorrem de ações realizadas pelos personagens OCC-RDD. Eventos surgem como consequências das mudanças, mas não resultam de alguma intervenção intencional dos personagens e sim das intenções do docente e dos estudantes. É isso que confere às histórias produzidas pela técnica OCC-RDD a característica de ficção interativa [8]. Quando a narrativa suporta uma ficção interativa, a explosão de complexidade decorrente da interação com os espectadores implica na existência de uma trama apropriadamente arquitetada [9] envolvendo personagens que propiciem situações que possam ser didaticamente exploradas. Os personagens OCC-RDD foram concebidos de modo a capturar típicos estereótipos de estudantes. Uma visão geral do modelo dos personagens é apresentada a seguir. III. PERSONAGENS OCC-RDD Um personagem OCC-RDD apresenta quatro facetas fundamentais: conhecimento, personalidade, estudante e emoção. Na Unified Modeling Language (UML) [10], este modelo conceitual pode ser representado por meio de um diagrama de classes (DCL) como aquele da Fig. 1. De acordo com esta notação, cada conceito nomeia um retângulo, precedido por uma opcional intenção entre guillemets (aspas). No diagrama, as intenções revelam nomes de pesquisadores, indicando serem os referenciais bibliográficos dos respectivos conceitos. Em relação ao conceito Personagem, no entanto, optou-se por destacar que se trata de um conceito no contexto da técnica OCC-RDD. Os conceitos estão interligados por por um símbolo de agregação: o conceito Personagem deve ser percebido como uma agregação dos outros quatro conceitos: conhecimento, aprendiz, personalidade e emoção. A. Faceta de conhecimento A faceta de conhecimento segue o Modelo Dreyfus [11] combinado com os sete estágios propostos por Page-Jones [12]. O primeiro estágio chama-se noviço. Na Técnica, este é o estágio utilizado como base para estabelecer o conhecimento de um dos personagens OCC-RDD conhecido por Fubã. (Como contexto para a modelagem com especificações adaptativas da Seção IV, apenas o personagem Fubã será apresentado como ilustração das demais facetas neste artigo.) B. Faceta de aprendiz O lado de aprendiz de um personagem depende do seu estágio de conhecimento. Perkins et al. ([13] apud [7]) distingue duas categorias de noviços: stoppers (passivos) e movers (ativos). Seguindo a proposta de Robins [7], um personagem da primeira categoria, quando se depara com um problema ou com uma situação na qual a direção a seguir não está clara, simplesmente pára. Tal personagem demonstra abandonar as esperanças em resolver o problema sozinho. Um personagem ativo (como o Espec, não apresentado neste artigo), faz uso efetivo de críticas a respeito dos seus erros, aumentando o potencial de resolver um problema e progredir nos seus estudos. Figura 1. Facetas de um personagem OCC-RDD (DCL-Conceitual). C. Faceta de personalidade A faceta de personalidade apoia-se no modelo de McCrae e John [14], também conhecido como Five Factor Model (FFM). A hipótese básica do FFM é léxica, ou seja, o vocabulário de um tipo de personalidade se caracteriza por um extenso, mas finito, conjunto de atributos que se referem à maneira pela qual as pessoas que falam uma determinada língua julgam serem importantes e úteis nas suas interações diárias ([15] apud [16]). Neste modelo, a personalidade é decomposta em cinco fatores: abertura a experiências (O), conscienciosidade (C), extroversão (E), agradabilidade (A) e neuroticismo (N). A cada um destes fatores, associa-se um grau de intensidade na escala de -2 (muito baixa) a +2 (muito alta), passando por 0 (intensidade normal). O personagem Fubã se caracteriza pelo seguinte modelo de personalidade: O=+2, indica um comportamento positivo diante de experiências novas ou não familiares e inclui elementos ativos de imaginação, sensibilidade estética, atenção aos sentimentos e curiosidade intelectual; C=-1, mostra um grau de êxito, persistência, competência e motivação um pouco abaixo do normal em relação as suas metas; E=-1, possui pouca quantidade e intensidade de relações sociais, além de precisar de estímulo para experimentar emoções positivas; A=+1, exibe muita compaixão e demonstra pensamentos, sentimentos e atos positivos; N=+1, tem a tendência de enfrentar influências negativas de medo, vergonha, frustração e culpa de um pouco acima do normal. O que se espera do Fubã em uma história na qual ele se depara com um erro de programação em um exercício proposto pelo seu professor? Por ser um noviço, o seu grau de conhecimento não será suficiente para que ele consiga encontrar a origem do erro. Além disso, por ser um aprendiz do tipo passivo, ele entrará em um estado de imobilidade, sem saber o que fazer. O seu perfil de personalidade indica que ele irá demonstrar interesse em descobrir a origem do problema, desde que receba ajuda para isso. Como ele não possui muitas relações sociais, ficará no aguardo de estímulos de um colega para demonstrar alguma emoção positiva. Embora seja um personagem agradável, em uma tal situação ele exibirá um sentimento de culpa e de frustração acima do normal. Finalmente, a faceta emoção será apresentada na próxima seção. Na Fig. 2, subtipos de fontes externas foram representados por uma seta do tipo específico para o tipo mais geral. Cada uma delas desencadeia um estímulo emocional do personagem OCC-RDD. No caso do personagem Fubã, as ações do personagem Espec fazem-no atingir um estado de fascinação com muita frequência. Por outro lado, as consequências da maneira como ele programa são motivos recorrentes para diminuir o seu grau de entusiasmo. E ainda, ao acompanhar a análise de propriedades arquiteturais em diagramas de classes UML, Fubã muitas vezes chega a um estado emocional de encantamento. Figura 2. Modelo da relação entre emoção e fontes externas (DCL-Conceitual) Figura 3. Tipos de emoções relevantes para a aprendizagem (DCL- Conceitual) IV. MODELO DE EMOÇÃO OCC-RDD A realização de uma atividade evoca fortes emoções nas pessoas, mesmo em situações nas quais há o propósito de se aprender a programar um computador. As respostas emocionais, entretanto, podem ser positivas ou negativas. O GEMS investiga a existência de formas práticas para se utilizar os tipos e graus de emoção em ambientes de aprendizagem que melhorem o desenvolvimento cognitivo dos estudantes em cursos de programação de computadores. A técnica OCC-RDD procura explorar estas respostas emocionais na composição de narrativas interativas. Neste artigo, os diferentes modelos de emoção são utilizados apenas como base para a caracterização dos personagens, não entrando-se no mérito da questão de sua validade psicológica ou até mesmo pedagógica. A escolha se deve à possibilidade de tratar as emoções sob o ponto de vista computacional. A. Modelo de Ortony, Clore e Collins Ortony, Clore e Collins propõem um modelo no qual as emoções decorrem de interpretações cognitivas da realidade externa ao agente. Na Fig. 2, esta dependência semântica foi representada por uma seta tracejada: um tipo de emoção depende de alguma fonte externa. Assim, as emoções possuem a sua base na cognição: [ ] there is an essential and profound cognitive basis for emotions. [17]. São três os tipos de fontes externas no modelo de Ortony et al.: ações de um agente, consequências de um evento e aspectos de um objeto. B. Modelo de Kort, Reilly e Picard Por outro lado, Kort, Reilly e Picard trazem a preocupação com modelos pedagógicos que se integrem a um ambiente computadorizado [18]. Daí vem o modelo de emoções relevante para o aprendizado de um estudante (Fig. 3). Sob o ponto de vista da técnica OCC-RDD, as emoções de cada tipo de personagem estão ligadas à área da Ciência da Computação. Mais especificamente, as emoções de um particular personagem são determinadas por consequências de eventos relacionados ao estudo da computação, pelas propriedades matemáticas dos elementos deste estudo e pelas ações realizadas pelos demais personagens. A faceta emocional do personagem Fubã é constituída pelos cinco tipos propostos por Kort et al. em graus de intensidade que variam de -2 a +2. Assim, no caso da emoção de confiança pessoal, um grau igual a -2 corresponde a uma emoção Ansioso, passando para -1 ( Preocupado ), 0 ( Confortável ), +1 ( Esperançoso ) e +2 ( Confiante ). Da mesma forma, um grau de fascinação igual a -2 indica que o personagem está com Aversão. Os graus seguintes ao de aversão são: -1 ( Tédio ), 0 ( Indiferente ), +1 ( Interessado ) e +2 ( Fascinado ). C. Modelo OCC-RDD A técnica OCC-RDD utiliza uma adaptação do modelo que relaciona emoção com aprendizagem proposto por O diagrama de transições de estados (DME) UML da Fig. 4 ilustra a ideia. Os personagens iniciam uma história em um estado emocional positivo (grau +2) de algum tipo, como Confiante, por exemplo. À medida que a história se desenrola, o seu estado emocional oscila entre os graus +2 e +1. Em um determinado momento da trama, o seu estado emocional despenca para o grau -2, gradativamente retornando para o grau +2. O estado emocional com grau 0 indica que o personagem encontra-se indiferente à situação e alguma fonte aleatória irá colocá-lo em um dos outros estados durante a história. No diagrama, as transições correspondem a eventos da trama OCC-RDD. ocorrência de um evento. Isso poderá provocar uma reconfiguração na topologia do autômato subjacente, em termos similares aos quais um autômato adaptativo se altera por força da aplicação de alguma função adaptativa. Uma apropriada combinação de tais efeitos dos métodos adaptativos deverá ser o objetivo durante a elaboração de uma especificação de requisitos comportamentais. Associada a cada transição, dever-se-á descrever quais mudanças a configuração do autômato deverá sofrer para que se expresse o comportamento desejado. Figura 5. Transições adaptativas de estados e emoção Figura 4. Padrões emocionais de aprendizagem (DME-Conceitual) Este modelo de comportamento emocional dos personagens encontra-se associado a cada tipo de emoção (Fig. 3) explorado em uma história. Assim, considerando-se uma história que explore o tipo de emoção Confiante do Fubã, inicia de modo a apresentá-lo em um estado de confiança com grau +2. Posteriormente, o personagem passará para o estado Esperançoso diante de um contratempo, atingirá o momento de catástrofe no estado Ansioso e viverá um dilema no estado Preocupado. V. ESPECIFICAÇÃO DA EMOÇÃO OCC-RDD Esta seção apresenta o conceito de especificações adaptativas seguido da modelagem comportamental baseada em métodos adaptativos. A. Especificações adaptativas Especificações adaptativas foram propostas por Vega [6] com o objetivo de organizar os comportamentos de uma aplicação de software com base em statecharts adaptativos [19]. Uma especificação adaptativa estabelece a ordem de ocorrência de tipos de eventos vinculada a métodos adaptativos. Estes métodos, ao serem executados, transformam a topologia do autômato usado como base para o dispositivo adaptativo. O procedimento para elaborar uma especificação adaptativa se inicia com um modelo de transições de estados, vinculandose uma abstração do efeito conjunto das funções adaptativas before e after sobre a configuração da topologia de estados e transições do autômato. Deste modo, o escopo da semântica de transição do autômato subjacente se altera de acordo com o resultado da execução do método adaptativo a ela associada na B. Métodos adaptativos do Modelo de Emoções OCC-RDD A Fig. 5 apresenta o resultado da vinculação de abstrações de métodos adaptativos no modelo de emoções OCC-RDD. Em cada linha da tabela encontra-se o estado de origem de um tipo de transição. Para cada coluna (tipo de evento), tem-se o método adaptativo e o (potencial) estado de destino do tipo da transição. Partindo-se do estado inicial Grau +2, diante da presença de um evento do tipo con, executa-se o método adaptativo ma1con. Dependendo da especificação comportamental deste método, o estado de destino Grau +1 será o próximo estado emocional corrente do personagem. Figura 6. Configuração inicial da máquina de estados adaptativa (DMA) A seguir, serão apresentados os efeitos dos métodos adaptativos presentes na Fig. 5. A representação dos efeitos fará uso de um tipo de diagrama introduzido por Vega [6] para ilustrar os efeitos da execução de tais métodos em uma especificação funcional. Na topologia inicial, o estado corrente é Grau +2 do emocional Confiante, conforme pode ser observado no diagrama de métodos adaptativos (DMA) da Fig. 6. 1) Efeito de ma1con: o efeito do método adaptativo ma1con deve ser tal que a configuração da topologia do autômato que modela as emoções de um personagem seja alterada para aquela apresentada na Fig. 7 quando da ocorrência de um evento do tipo que dispare a transição contratempo no modelo da Fig. 6. Observe-se que o estado Grau +1 tornou-se inicial na nova configuração da topologia do autômato. Destaca-se, também, a adição de duas novas transições: superado e catástrofe. 3) Efeito de ma2sup: a ocorrência de eventos que disparem transições do tipo superado durante o estado inicial Grau +1 deverá provocar uma nova transformação na configuração da topologia do autômato, fazendo-o retornar para a topologia inicial (Fig. 6). A execução do método adaptativo ma2sup transformará o estado Grau +2 em inicial e novas transições com métodos adaptativos farão parte da reconfiguração topológica. Apenas dois outros estados podem ser atingidos nesta nova configuração. 4) Efeito de ma2cat: a ocorrência de eventos que disparem transições do tipo catástrofe durante o estado inicial Grau +1 deverá provocar uma transformação na configuração da topologia do autômato descrita pelo diagrama da Fig. 9. A execução do método adaptativo ma2cat transformará o estado Grau -2 em inicial e haverá suporte para a parte da trama referente aos tipos de eventos reação e dilema, ou pode ser que o andamento da história coloque o personagem no estado Grau 0 (ocorrência de um evento do tipo pausa). Figura 7. Efeito do método adaptativo ma1con (DMA) 2) Efeito de ma1pau: a ocorrência de eventos que disparem transições do tipo pausa durante o estado inicial Grau +2 deverá provocar uma transformação na configuração da topologia do autômato, resultando em um modelo de estados como aquele mostrado no diagrama da Fig. 8. A execução do método adaptativo ma1pau transformará o estado Grau 0 em inicial, indicando que o personagem encontra-se em um estado emocional Confortável. Apenas diante de um contratempo ou de uma catástrofe é que ele sairá deste estado, dependendo, ainda, dos efeitos dos métodos adaptativos ma5con e ma5cat. Por uma
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