Mineração de dados em educação digital: conceitos, técnicas e aplicações

De Klaus Schlünzen Junior e Rodrigo Yoshio Tamae

A ampla utilização dos Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVA) na Educação pode contribuir no uso das Tecnologias Digitais da Informação e da Comunicação (TDIC), das Metodologias Ativas e favorecer a abordagem Construcionista, Contextualizada e Significativa (CCS), na qual o estudante utiliza a tecnologia como instrumento para produzir algo que parte da sua vivência e realidade, e o professor atua como mediador para ajudá-lo a formalizar conceitos. Nesse contexto, a internet e os dispositivos móveis têm contribuído na proliferação de grande quantidade de dados em formato digital, os quais ainda são pouco utilizados para gerar a descoberta de conhecimento. Com as contribuições geradas pela área de Descoberta do Conhecimento em Banco de Dados (do original em inglês Knowledge Discovery in Database, KDD), métodos e técnicas computacionais podem ser empregadas para melhor compreender o comportamento dos estudantes no AVA e em quais condições eles aprendem. Este livro relata como o uso de técnicas de KDD, principalmente mineração de dados, foram organizadas para encontrar os indícios das habilidades dos estudantes que passaram a ser externalizadas no decorrer do processo de construção de um produto que fez parte de seus contextos e lhes foi significativo, além de contribuir na agilização do processo de monitoramento e controle (intervenção) das ações de estudantes e professores, possibilitar a revisão e planejamento de estratégias futuras por parte do professor, autor, designer educacional, tutor on-line. O curso de pós-graduação em Educação Especial na Perspectiva Inclusiva do programa Rede São Paulo de Formação Docente (Redefor), da Unesp, foi analisado a partir das categorias CCS, sistematizadas em um software experimental denominado KDLE (Knowledge Discovery in Learning Environment) e os resultados foram compilados em uma linguagem mais adequada aos profissionais de Educação. A KDD pode ser um fator transformador em Educação, pois permite a tomada de decisão com base em dados e fatos, e não apenas de forma intuitiva ou por meio de experiências vivenciadas. Representa, portanto, uma nova forma de fazer e pensar a Educação.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 12 de jan. de 2023
• ISBN: 9786525030548

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Mineração de Dados em

Educação Digital

Conceitos, Técnicas e Aplicações

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Elaborado por: Josefina A. S. Guedes

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Impresso no Brasil

Rodrigo Yoshio Tamae

Klaus Schlünzen Junior

Mineração de Dados em

Educação Digital

Conceitos, Técnicas e Aplicações

Ao Senhor Deus, Todo Poderoso

Mas aquele que considera, atentamente, na lei perfeita, lei da liberdade, e nela persevera, não sendo ouvinte negligente, mas operoso praticante, esse será bem-aventurado no que realizar.

Tiago 1:25

Aos meus pais, Yoshio (in memoriam) e Lídia

Honra teu pai e tua mãe, a fim de que tenhas vida longa na terra que o Senhor, o teu Deus, te dá.

Êxodo 20:12

À Érika, ao Eduardo e à Vitória

Vede que grande o amor nos tem concedido o Pai, a ponto de sermos chamados filhos de Deus; e, de fato, somos filhos de Deus. Por essa razão, o mundo não nos conhece, porquanto não o conheceu a ele mesmo. Amados, agora, somos filhos de Deus, e ainda não se manifestou o que havemos de ser. Sabemos que, quando ele se manifestar, seremos semelhantes a ele, porque haveremos de vê-lo como ele é.

I João 3:1-2

AGRADECIMENTOS

Quem tem um amigo, mesmo que um só, não importa onde se encontre, jamais sofrerá de solidão; poderá morrer de saudades, mas não estará só.

Amyr Klink

Ao meu orientador, Dr. Klaus Schlünzen Junior. Não há palavras para expressar minha gratidão. É a melhor referência que se pode ter de inteligência e de competência, dotado de uma habilidade natural única de empoderar as pessoas para que exercitem e desenvolvam suas capacidades criativas. Um grande exemplo de generosidade, cordialidade e espírito cristão. Professor, você é o responsável pela concretização de um grande sonho e por me ajudar a chegar aonde nunca imaginei.

À Dr.ª Elisa Tomoe Moriya Schlünzen, pois quando a conheci havia uma porta para a qual eu não encontrara nenhuma chave; havia um véu através do qual eu não podia ver (Omar Khayyan). Você é uma pessoa encantadoramente humilde, dedicada e que transparece seu grande desejo de ajudar a todos. Obrigado por ter aberto uma porta e me apresentar a abordagem CCS, com a qual irei construir um novo caminho.

A todos os membros e suplentes da banca examinadora, por terem dedicado um tempo precioso de suas vidas para contribuir com os resultados da minha pesquisa.

Aos amigos Raquel Pozzenato Silazaki, Lívia Raposo Bardy Ribeiro Prado, Olga Lyda Anglas Rosales Tarumoto, Sidinei de Oliveira Sousa, Denise Ivana de Paula Albuquerque, Ana Virgínia, demais colegas e todo pessoal do CPIDES. Há um pouco de vocês em tudo que aprendi.

Ao pessoal do Núcleo de Educação a Distância (NEaD) da Unesp e funcionários da Secretária de Pós-Graduação da Unesp de Presidente Prudente.

Aos meus amigos fraternos Weber, Francis, Khristóferson, José Elias, Amélia, Eduardo, Ely, Edson, José Júlio, Paulinho, a dona Isabel, e toda a Tigrada de MG.

Muito obrigado!

Não basta ensinar ao homem uma especialidade, porque se tornará assim uma máquina utilizável e não uma personalidade. É necessário que adquira um sentimento, senso prático daquilo que vale a pena ser empreendido, daquilo que é belo, do que é moralmente correto.

(Albert Einstein)

PREFÁCIO

Prefaciar o livro que é o resultado da pesquisa de doutorado desenvolvida pelo professor doutor Rodrigo Yoshio Tamae e orientada pelo professor doutor Klaus Schlünzen Junior, do Programa de Pós-Graduação em Educação da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (FCT/Unesp) de Presidente Prudente-SP, na linha de pesquisa Processos Formativos, Ensino e Aprendizagem, nas áreas de Educação a Distância (EaD) e Formação de Professores, tem um sabor muito especial. Participei da primeira conversa com o Rodrigo sobre as suas intenções de investigação científica quando visitou o Núcleo de Educação a Distância (NEaD/Unesp), do qual, o professor Klaus e eu éramos coordenadores. Falou dos seus sonhos e percebi se tratar de um profissional muito diferenciado, dotado de uma inteligência e sensibilidade sem igual, de caráter íntegro, que desejava usar suas habilidades e competências em Tecnologia da Informação (TI) para cooperar no processo educacional.

Esse encontro foi muito especial, envolvido por grande empatia. Acreditei que ele poderia trazer grandes contribuições para os trabalhos que estávamos desenvolvendo e aliar nossos sonhos de fazer uma educação melhor. Com esse sentimento, apresentamos os cursos que oferecíamos pelo NEaD/Unesp, fundamentados na abordagem Construcionista, Contextualizada e Significativa (CCS), da qual sou idealizadora.

A abordagem CCS foi validada junto aos membros do grupo de pesquisa Ambientes Potencializadores para a Inclusão (API) da FCT/Unesp. Constituído em 2001, desenvolve pesquisas e práticas formativas relacionadas aos eixos formação inicial e continuada de professores, promoção de uma cultura inclusiva no contexto escolar, educação a online mediada por tecnologias e, métodos e práticas de acordo com a abordagem CCS.

As atividades do API são realizadas no Centro de Promoção para a Inclusão Digital, Escolar e Social (CPIDES) da FCT/Unesp, onde são realizadas ações de extensão, pesquisa e docência, tendo como principal atividade atender a enorme demanda especializada da comunidade de Estudantes Público-Alvo da Educação Especial (EPAEE). Também desenvolve softwares para a melhoria do processo educacional com alcance nacional e internacional. Desde 2018, o grupo está vinculado aos Programas de Pós-Graduação em Educação da FCT/Unesp e da Universidade do Oeste Paulista (Unoeste), este último, liderado por mim e pela professora doutora Danielle Aparecida do Nascimento dos Santos.

A pesquisa desta obra é inovadora por estar inserida no contexto de EaD com a utilização de Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVA), uso de TDIC, tendo como estratégia o desenvolvimento de projetos, de acordo com a abordagem CCS. A investigação tem como pressuposto que uma infinidade de dados em formato digital são produzidos em escala e são pouco utilizados para gerar a descoberta de conhecimento em contextos educacionais. A área de Mineração de Dados possibilita explorar esses dados para melhor compreender o comportamento dos estudantes e em quais condições eles aprendem.

Os resultados encontrados indicam ser possível obter uma visão real dos objetivos metodológicos, pedagógicos e conceituais, possibilita a tomada de decisão com base em dados e fatos, fora das percepções intuitivas ou subjetivas. Apresenta uma nova forma de empregar tecnologias e técnicas de Mineração de Dados para fazer e pensar a Educação com possibilidades transformadoras, principalmente nesta nova realidade provocada pela pandemia da covid-19.

O leitor percorrerá cenários diferentes que se complementam, com a compreensão da abordagem CCS, de banco de dados e técnicas de Mineração de Dados. Esse conjunto traz possibilidades para análises menos subjetivas aos processos formativos, principalmente em grande escala, como ocorreu no curso investigado na pesquisa.

Vislumbra a construção de novos espaços de formação on-line, com análises bem fundamentadas sob a perspectiva da abordagem CCS e, desperta um olhar crítico e reflexivo sobre a formação, aliando aspectos pedagógicos e tecnológicos de uma forma muito concisa, em termos teóricos e práticos, que devem ser intercambiados.

Entendo que este livro é uma iniciativa para abrir diversas frentes. Para a área de formação de professores expõe abordagens pedagógicas que usam as TDIC e indica caminhos para criar ambientes educacionais significativos personalizados. Ja profissionais de TI poderão encontrar pressupostos teóricos e práticos bem fundamentados sobre como desenvolver melhores condições educacionais para a formação on-line, elaborados por um profissional estudioso dessas duas grandes áreas.

Sou grata pela oportunidade de conhecer este trabalho de pesquisa inovador e por saber do compromisso dos pesquisadores com a Educação neste país, e pela honra de poder prefaciá-la. Desejo a todos uma excelente leitura.

Elisa Tomoe Moriya Schlünzen

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Programa de Pós-Graduação da Universidade do Oeste Paulista (Unoeste)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Sumário

PRÓLOGO

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

1.1.1 Justificativa e relevância

1.1.2 Definição do problema

1.1.3 Objetivos: geral e específicos

1.1.4 Definição dos termos

1.1.5 Indicação da metodologia

1.1.6 Organização da pesquisa

CAPÍTULO 2

DELINEAMENTO TEÓRICO DA PESQUISA

2.1 ASPECTOS RELEVANTES DO AMBIENTE E ABORDAGEM CCS

2.2 OS ASPECTOS RELEVANTES SOBRE DESCOBERTA DO CONHECIMENTO EM BANCO DE DADOS

2.3 ASPECTOS RELEVANTES SOBRE MINERAÇÃO DE DADOS

2.4 A MINERAÇÃO DE DADOS EM EDUCAÇÃO

2.5 ASPECTOS HISTÓRICOS RELEVANTES SOBRE MINERAÇÃO DE DADOS EM EDUCAÇÃO

2.6 FUNCIONAMENTO DA MINERAÇÃO DE DADOS

2.7 FERRAMENTAS PARA MINERAÇÃO DE DADOS

2.8 TRABALHOS CORRELATOS NA ÁREA DE MINERAÇÃO DE DADOS EM EDUCAÇÃO

CAPÍTULO 3

DEFINIÇÃO DO PERCURSO DA PESQUISA

3.1 PERCURSO DA PESQUISA

3.2 DEFINIÇÃO DA AMOSTRAGEM DA PESQUISA

3.3 PESQUISAS REALIZADAS NO ÂMBITO DO PROGRAMA REDEFOR

3.4 PROCEDIMENTOS DE SELEÇÃO E COLETA DE DADOS

CAPÍTULO 4

AS CONTRIBUIÇÕES DA ÁREA DE MINERAÇÃO DE DADOS EM EDUCAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DA ABORDAGEM CCS

4.1 TÉCNICAS DE MINERAÇÃO DE DADOS EM EDUCAÇÃO APLICADAS A CONTEXTOS DA EDUCAÇÃO HÍBRIDA

4.1.1 Árvore de decisão

4.1.2 Regras de classificação

4.1.3 Agrupamento

4.1.4 Distância ou Similaridade de Cosseno

4.1.5 Grafos de interação

4.1.6 Mineração de texto

4.2 RECURSOS DO PROTÓTIPO KDLE

4.2.1 Módulo de consultas

4.2.2 Módulo de pré-processamento

4.2.3 Módulo de DM

4.2.4 Módulo de Text Mining (TM)

4.2.5 Módulo de recursos analíticos

4.3 PROCEDIMENTOS PARA UTILIZAÇÃO DO PROTÓTIPO KDLE

4.3.1 Selecionar amostragem

4.3.2 Consolidar dados dos cursistas

4.3.3 Relatórios

4.3.4 Classe e categoria de ação: comportamento on-line do cursista

4.3.5 Percurso de aprendizagem

4.3.6 Gerar grafo

4.3.7 Espiral de aprendizagem e ciclo de ações

4.3.8 Aplicar o modelo de TM para obter o gráfico da espiral de aprendizagem e ciclo de ações

4.3.9 Gerar o relatório de probabilidade de cumprimento da espiral de aprendizagem e ciclo de ações

4.3.10 Obter a troca de mensagens entre Cursistas e Cursistas e Professor e Cursistas

4.3.11 Gerar gráfico contendo as trocas de mensagens entre Cursistas e Cursistas e Professor e Cursistas

4.3.12 Identificação de postagens curtas no fórum

4.3.13 Identificação do desempenho de postagens no fórum

4.3.14 Associar o desempenho de postagens com as postagens curtas no fórum

4.3.15 Gráfico do desempenho dos cursistas em função das postagens curtas

4.4 Considerações

CAPÍTULO 5

RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 TÉCNICAS DE DM APLICADAS NA DETECÇÃO DE INDÍCIOS DO CONTEXTO DO CURSISTA

5.2 TÉCNICAS DE DM APLICADAS NA DETECÇÃO DE INDÍCIOS DA ESPIRAL DE APRENDIZAGEM E CICLO DE AÇÕES

5.3 TÉCNICAS DE DM APLICADAS NA DETECÇÃO DE INDÍCIOS DA APRENDIZAGEM EM REDE

5.4 TÉCNICAS DE DM APLICADAS NA DETECÇÃO DE INDÍCIOS DO PAPEL DO PROFESSOR

5.5 TÉCNICAS DE DM APLICADAS NA DETECÇÃO DE INDÍCIOS DA FORMALIZAÇÃO DE CONCEITOS

CONCLUSÕES

REFERÊNCIAS

PRÓLOGO

Quando o tema é ciência, costuma-se afirmar que uma pesquisa tem origem na observação crítica de uma situação que gera um problema, pois trata-se de uma proposição intelectual que apresenta o resultado de uma investigação profunda e complexa a respeito de um determinado problema, com aporte teórico bem definido. No entanto, tal problema não pode ser sistematizado tão rápido e facilmente.

Portanto, antes de adentrar no mérito dessa questão, convém expor uma breve reflexão sobre os aspectos convergentes da minha trajetória pessoal, profissional e acadêmica, para melhor compreender como tais elementos se encontram intimamente ligados e se constituem na razão de ser deste livro.

Nasci e cresci na cidade de Marília, interior do estado de São Paulo, onde cursei graduação em Processamento de Dados e, em seguida, mestrado em Ciência da Computação. Realizei o sonho de cursar doutorado em Educação na Unesp, na cidade de Presidente Prudente. Sempre trabalhei com Tecnologia da Informação (TI) e com ensino.

Ingressei no mercado de trabalho aos 15 anos de idade e tive muita sorte, pois fui contratado por uma empresa de destaque nacional do ramo de soja e açúcar. Foi lá que tive a oportunidade de adentrar em um Centro de Processamento de Dados (CPD) genuíno pela primeira vez e onde, meses depois, devido a alguns conhecimentos que já possuía em programação de computadores (um diferencial em uma época em que profissionais dessa área eram raros), conquistei a minha primeira oportunidade profissional na área da computação como operador de computador. Graças a isso e à mentoria dos meus colegas de trabalho, pude aprimorar minhas habilidades em linguagem de programação Cobol.

Ao concluir o segundo grau (denominado ensino médio a partir do ano de 1996 com a Lei n.º 9.394) profissionalizante com Habilitação Plena em Contabilidade fui agraciado com uma bolsa integral para cursar o Ensino Superior em Processamento de Dados. Depois, fui promovido ao cargo de analista de sistemas, por concluir com êxito a migração de sistemas escritos em linguagem de programação Cobol para a plataforma Unix¹.

A Itautec-Philco², então fornecedora de equipamentos para os laboratórios de informática da Universidade de Marília (Unimar), concretizou uma parceria para o desenvolvimento de tecnologias para terminais de autoatendimento e fui indicado a trabalhar nesse projeto por dois anos, dividindo o meu tempo entre as cidades de Marília e São Paulo. Representou uma grande oportunidade, um período de novidades e de motivação por ter acesso a tecnologia de ponta. Vivenciar a realidade de um centro de pesquisa e desenvolvimento que combinava competências acadêmicas e mercadológicas nas modernas instalações da matriz Itautec, no centro de negócios do país, e participar do processo de criação de um novo produto, intensificou o meu desejo de cursar mestrado acadêmico. O problema era: como?

Durante a graduação, não tive maiores problemas, pois percorri o caminho inverso de formação profissional. Aprendi primeiro no contexto prático (mercado) e depois no teórico (graduação). Por ser profissional da área da computação, surgiram demandas por aulas particulares de programação de computadores, o que me permitiu conhecer as dificuldades quanto ao aprendizado de técnicas de programação de computadores, uma das motivações para ingresso na carreira acadêmica futura.

Foi então que, recém-formado, decidi abandonar o excelente emprego para abrir uma pequena empresa de treinamento e desenvolvimento