Introdução à dinâmica de sistemas : proposta de disciplina a distância para curso de licenciatura em biologia, com uso de modelos qualitativos

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Instituto de Física, Instituto de Química, Faculdade UnB Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências, Mestrado Profissional em Ensino de Ciências, 2014.O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de disciplina sobre Dinâmica de Sistemas a ser incluída no currículo do curso de Licenciatura em Biologia a Distância oferecida pela Universidade Aberta do Brasil (UAB/UnB). Outros objetivos são apresentar ao aluno da educação a distância (EaD) uma metodologia de ensino-aprendizagem apoiada na modelagem qualitativa (não numérica) de sistemas biológicos, configurando uma dinâmica qualitativa de sistemas; desenvolver materiais didáticos de apoio à modelagem direcionados para a EaD; construir e explorar modelos de simulação com os licenciandos, mostrando-lhes o potencial educacional dessas ferramentas na educação básica; e contribuir para o desenvolvimento do pensamento sistêmico nos licenciandos. Para tanto, foi preparada uma proposta inicial para a disciplina e materiais didáticos e modelos de simulação sobre sistemas diversos, implementados no software de modelagem DynaLearn. Essa proposta foi oferecida experimentalmente como disciplina optativa, "Tópicos em Ensino de Biologia", nos dois semestres letivos de 2013, durante os quais foi possível identificar problemas e refinar o currículo, a proposta pedagógica e os materiais didáticos. A metodologia adotada para avaliar a proposta e analisar os resultados obtidos foi o estudo de caso, e a coleta de informações foi feita por meio de observações do comportamento dos alunos durante a disciplina, da análise dos exercícios e de atividades avaliativas, sendo a última delas a elaboração de um Projeto Pedagógico com base em conceitos da Dinâmica de Sistemas e modelos de simulação. Para coletar dados sobre a visão dos alunos sobre a proposta, foram utilizados questionários e entrevistas. Os resultados obtidos sugerem que, apesar de dificuldades para a compreensão de conceitos de Dinâmica de Sistemas e para o uso de modelos de simulação, os alunos perceberam o alcance da abordagem proposta e relataram sentimentos de mudança na forma de ver e interpretar os problemas ambientais que analisaram. Na opinião de vários deles, seria importante ter uma disciplina desse tipo no currículo da Licenciatura. Concluímos que a inclusão de uma disciplina na modalidade a distância abordando a dinâmica qualitativa de sistemas é viável e desejável, pois essa abordagem tem potencial para contribuir com o desenvolvimento do pensamento sistêmico e da criatividade nos licenciandos. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe present study aims to present a proposal for a discipline on System Dynamics to be included in the curriculum of the course for License degree in Biology, offered by the Brazilian Open University / University of Brasilia. Additional objectives include to introduce the student of distance education (DE) into a teaching methodology based on qualitative reasoning modelling (non numeric) techniques building up a qualitative system dynamics; to develop educational materials to support a modelling-based approach in DE; to build and explore qualitative simulation models showing the students the educational potential of these tools for basic education; and to contribute to the development of systems thinking in future teachers. A program for the discipline was created, and didactic materials and qualitative models were implemented in the modelling workbench DynaLearn. The program was experimentally offered as an optional discipline “Special Topics in Biology Teaching” during the two academic semesters in 2013. This approach allowed us to identify problems, refine the curriculum, pedagogical approach and didactic materials. A case study was the methodology used to assess the course and to analyze the results. Information was collected by means of observing the students‟ behavior during the discipline, analyzing their homework and evaluation activities, being the last one of these the elaboration of a pedagogical project based on System Dynamics and simulation models. Data about students‟ emotional aspects towards the discipline were gathered from questionnaires and interviews. Although some difficulties for understanding basic concepts on System Dynamics and on qualitative simulation modelling were observed among the students, they realized the scope of the proposed approach and reported feelings of change in how they viewed and interpreted environmental problems they analyzed. For many of them, it would be relevant to include a discipline of this kind in the curriculum of their course. We conclude that implementation of a distance education based discipline on qualitative system dynamics is both viable and desirable, as this approach has the potential to contribute for the development of systems thinking and creativity in future teachers

Enriquecimento semântico de modelos ecológicos baseados em raciocínio qualitativo : um estudo de caso sobre a dinâmica de comunidades de vegetação lenhosa no cerrado brasileiro

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, 2015.O uso de modelos tem se tornado cada vez mais frequente, principalmente nos estudos científicos, mas também na sociedade em geral, como importante ferramenta de planejamento e análise de cenários, entre outros objetivos. Ontologias e outras tecnologias semânticas estão progressivamente sendo utilizadas para apoiar as atividades de modelagem de sistemas naturais e para aprimorar seu rigor e consistência. O presente trabalho tem o objetivo enriquecer semanticamente modelos de Raciocínio qualitativo no domínio da Ecologia do Cerrado. Assim, buscamos relacionar dados de comunidades de plantas lenhosas do Cerrado brasileiro obtidos de estudos científicos, de meteorologia, de variáveis ambientais, informações geográficas (mapas) e modelos conceituais baseados em Raciocínio Qualitativo. Duas ontologias de domínio de conhecimentos, Cerrado Concepts and Wood Plant Dynamics Ontology (Ccon) e Fire Ontology (Fire), foram desenvolvidas para representar conhecimentos científicos sobre a ecologia da vegetação do Cerrado, com foco em aspectos dinâmicos sob diferentes regimes de queima. Conjuntos de dados foram transformados para o formato RDF (Resource Descrition Framework) usando LOD Refine (Linked Open Data Refine). Foram construídos modelos qualitativos para representar a estrutura e dinâmica de comunidades de plantas do Cerrado que exploram a hipótese de desequilíbrio na coexistência de árvores e gramíneas nesse bioma. Os modelos evidenciam o papel do fogo e de relações de competição por recursos entre o estrato arbóreo e o rasteiro, que permitem sua coexistência em ambientes de Cerrado sensu stricto. Foram criadas ligações geográficas entre a ocorrência de espécies e variáveis ambientais com modelos ecológicos de Raciocínio Qualitativo, que podem ser usados para simulações e no suporte a predições e explicações no comportamento de comunidades específicas de plantas lenhosas do Cerrado. Trabalho em andamento busca validar os modelos qualitativos, aperfeiçoar e construir ontologias, ampliar as bases de dados e explorar diferentes hipóteses sobre a estrutura e o funcionamento de comunidades de Cerrado.The use of models has become increasingly common, especially in scientific studies, but also in society in general as an important planning tool and scenario analysis among other objectives. Ontologies and other semantic technologies are increasingly being used to support the modeling systems natural activities and to enhance its accuracy and consistency. The present work aims to semantically enrich models based on Qualitative Reasoning in the area of Cerrado Ecology. Thus, we seek to relate data bases of woody plants in the Brazilian Cerrado communities obtained from scientific studies, meteorology, environmental variables, geographic information (maps) and conceptual models of Qualitative Reasoning. Two domain ontologies, Cerrado Concepts and Wood Plant Dynamics Ontology (CCON) and Fire Ontology (Fire), were developed to represent scientific knowledge about the Cerrado vegetation ecology focusing on dynamic aspects under different fire regimes. Data sets, made available by agencies and institutions of the Brazilian government, and the data obtained from the scientific literature were transformed to RDF (Resource Framework Descrition) format using LOD Refine (Linked Open Data Refine). Moreover, qualitative models were developed to represent the structure en dinamics of Cerrado vegetation communities which the disequilibrium hypothesis of tree-grass coexistence in that biome is exploited. The models highlight the role of fire and competition relationships over resources between wood and grass layers, that allows their coexistence in Cerrado sensu stricto environments. Geographical links have been established between the occurrence of species and environmental variables with qualitative reasoning ecological models, that can be used for simulations and support predictions and explanations in the behavior of specific communities of woody plants of the Cerrado. Ongoing work aims at validation of qualitative models, improvement of the current and construction of new ontologies, expansion of databases to explore different hypotheses about the structure and functioning of Cerrado communities

DynaLearn - An Intelligent Learning Environment for Learning Conceptual Knowledge

Articulating thought in computer-based media is a powerful means for humans to develop their understanding of phenomena. We have created DynaLearn, an Intelligent Learning Environment that allows learners to acquire conceptual knowledge by constructing and simulating qualitative models of how systems behave. DynaLearn uses diagrammatic representations for learners to express their ideas. The environment is equipped with semantic technology components capable of generating knowledge-based feedback, and virtual characters enhancing the interaction with learners. Teachers have created course material, and successful evaluation studies have been performed. This article presents an overview of the DynaLearn system