Aplicação móvel para educação em ciências integrando um framework de exploração de dados educacionais

Abstract

A presente tese relata o trabalho de investigação levado a cabo com o propósito de desenvolver uma aplicação móvel (app) para Educação em Ciências no 1.º Ciclo do Ensino Básico (1.º CEB), integrando um framework de exploração de dados educacionais (Educational Data Mining – EDM) com o intuito de promover o desenvolvimento de competências científicas e a autorregulação das aprendizagens pelos alunos. Para tal, adotou-se a abordagem metodológica Educational Design Research, que prevê várias técnicas de recolha de dados, e a participação de diferentes intervenientes, de acordo com três fases interativas e iterativas: Estudo preliminar, Fase de prototipagem e Fase de avaliação. No Estudo preliminar, entre outros momentos e técnicas, foi implementado um questionário a professores do 1.º CEB (n=118), com o propósito de definir e/ou validar os seguintes aspetos: (i) o público-alvo – alunos do 4.º ano de escolaridade; (ii) o tema a abordar na app no âmbito da Educação em Ciências – Corpo Humano; (iii) os conteúdos educativos digitais a integrar na app – animações (interativas) , jogos, simulações, quizzes e áreas informativas; (iv) a abordagem de aprendizagem da app relacionando os princípios do Universal Design for Learning e as abordagens Inquiry-Based Science Education e BSCS 5E; e (v) as componentes de gestão das aprendizagens da app – feedback formativo, recomendações e ajudas em tempo real, desencadeadas pela app de acordo com o framework de EDM conceptualizado. Com base nos resultados anteriores, nomeadamente o público-alvo e o tema a abordar na app, foi implementada uma atividade de escrita e desenho criativos com alunos do 4.º ano de escolaridade (n=25), com o propósito de definir o conceito da app: (vi) o tópico no âmbito da Educação em Ciências a abordar na app – Alimentação saudável (e atividade física); (vii) os subtópicos a abordar; (viii) as personagens da app; e (ix) os ambientes gráficos da app (e.g., horta). De acordo com a definição da abordagem de aprendizagem e das componentes de gestão das aprendizagens foi definida a Estrutura relacional do framework conceptual de EDM para Educação em Ciências, ou seja, as questões “colocadas” à app no decorrer da exploração/interação e os eventos lidos pela mesma através dos métodos e técnicas de EDM adotados. Por último, com base no estado da arte de apps portuguesas para Educação em Ciências, no Estudo preliminar definiram-se as especificações gráficas e funcionais da app: principais ecrãs, botões e áreas da app. Na Fase de prototipagem, foi implementada uma sessão de focus group com especialistas em User Experience (Design), com o propósito de validar as especificações gráficas e funcionais da app. Com base nas evidências recolhidas na sessão, definiu-se o Wireflow da app: estrutura dos ecrãs da app, relação entre os ecrãs, disposição de elementos gráficos, funcionalidades previstas e ações dos botões da app. Com base na análise de documentos orientadores, foram definidas as especificações didáticas da app: conteúdos educativos a abordar; e aprendizagens esperadas com a exploração da app. A definição das especificações didáticas permitiu o desenvolvimento dos scripts e storyboards dos conteúdos educativos digitais da app. Por último, o Framework conceptual de exploração de dados educacionais para Educação em Ciências da app foi desenhado de acordo com 11 (onze) algoritmos gráficos, de forma a representar o conjunto dos processos, ações e operações que visam a promoção do desenvolvimento de competências científicas e a facilitação do processo de autorregulação das aprendizagens pelos alunos. Na Fase de avaliação, entre outros aspetos, os protótipos desenvolvidos foram validados: (i) Wireflow da app; (ii) scripts e storyboards dos conteúdos educativos digitais da app; e (iii) Framework conceptual de exploração de dados educacionais para Educação em Ciências. Entre outras, as principais conclusões retiradas no estudo de acordo com as conceções de professores do 1.º CEB (n=118) foram (i) a importância do desenvolvimento da app proposta para alunos do 4.º ano de escolaridade do 1.º CEB na área temática Corpo Humano; (ii) a adequação da abordagem de aprendizagem proposta para a app e das cinco tipologias de conteúdos educativos digitais, face ao seu potencial para promover uma aprendizagem em Educação em Ciências de carácter integrador e prático, e para promover o desenvolvimento de competências científicas; e (iii) a adequação da disponibilização em tempo real das três componentes de gestão das aprendizagens propostas, permitindo facilitar e potenciar as aprendizagens, e personalizar a experiência de utilização e o percurso de aprendizagem de cada aluno, apoiando e ajudando os alunos ao longo da exploração da app e dos conteúdos educativos digitais de acordo com o seu desempenho educativo. Importa, ainda, destacar algumas das principais conclusões que emergiram das opiniões e sugestões dos especialistas: (iv) a adequação dos cinco ecrãs principais, botões e áreas da app, definidos nas especificações gráficas e funcionais e refletidos no wireflow da app – validado por três especialistas externos ao projeto em User Experience Design; (v) a adequação dos conteúdos educativos a abordar na app e das aprendizagens esperadas com a sua exploração, definidos nas especificações didáticas e refletidos no scripts e storyboards da app – validados por quatro especialistas externos ao projeto em Didática das Ciências, Multimédia em Educação, Guionismo e Nutrição e Saúde Alimentar; e (vi) a adequação das questões e eventos lidos pela app com recurso aos métodos e técnicas de EDM adotados, refletidos no Framework conceptual de exploração de dados educacionais para Educação em Ciências e que representa o conjunto dos processos, ações e operações que visam a promoção do desenvolvimento de competências científicas e a facilitação do processo de autorregulação das aprendizagens pelos alunos – validado por três especialistas externos ao projeto em Algoritmia e Técnicas de Representação de Algoritmos e Algoritmia de Avaliação de Desempenho. A aplicação das várias técnicas de recolha de dados, a participação de diferentes intervenientes, e os vários processos e momentos de validação implementados, permitiram validar as decisões e opções tomadas, atribuindo aos produtos de investigação e às conclusões do estudo coerência, rigor científico, validade de conteúdo e de conceito, fiabilidade, e um carácter participativo e centrado no utilizador.

The present thesis reports research work related to a study aimed at developing a Science Education mobile application (app) for primary-school students, integrating an Educational Data Mining (EDM) framework to enhance the students' scientific competences development and self-regulated learning. For that, the Educational Design Research approach was adopted, which foresees several data collection techniques, and the participation of different stakeholders, according to three interactive and iterative phases: Preliminary Research, Prototyping Phase and Evaluation Phase. In the Preliminary Research, among others, a questionnaire was implemented among primary school teachers (n=118), to define the mobile app, namely (i) the target audience – 4 th grade primary-school students; (ii) the Science Education topic to approach in the mobile app – Human Body; (iii) the digital educational contents to integrate in the mobile app – animations, games, simulations, quizzes and information areas; (iv) the app’s learning approach – an authoring one, relating the Universal Design for Learning principles and the Inquiry Based Science Education and BSCS 5E approaches; and (v) the app’ learning management components – formative feedback, recommendations and real time help, triggered by the mobile app according to the EDM framework. Based on these, a creative writing and drawing activity was implemented with the target audience (n=25), to define the mobile app concept: (vi) the Science Education topic to approach – Healthy eating (and physical activity); (vii) the sub-topics to approach; (viii) the mobile app’s characters; and (ix) the mobile app’s graphical environments (e.g., kitchen garden). According to the learning management components definition, the relational structure of the EDM framework was defined, i.e., the questions "asked" to the system and the events read by the mobile app through the adopted EDM methods and techniques. Finally, based on the state of the art of Portuguese mobile apps for Science Education, the mobile app’s graphic and functional specifications were defined: main screens, buttons, and the app’s areas. In the Prototyping Phase, a focus group session was implemented with User Experience experts, validating the mobile app’s graphic and functional specifications. Based on document analysis, the mobile app’s didactic specifications were defined: the focussed scientific contents; the learning goals; and the expected scientific competences to develop with the mobile app’s usage. This definition allowed to develop the mobile app’s digital educational contents scripts and storyboards. Finally, the mobile app’s EDM framework was designed according to 11 (eleven) flowcharts, i.e., how the mobile app “answers” to the students’ actions, helping them to develop scientific competences and promoting their self regulated learning. Finally, in the Evaluation Phase, among other aspects, the mobile app’s prototypes were validated: (i) the mobile app’s wireflow; (ii) the digital educational contents scripts and storyboards; and (iii) the EDM framework. Among others, the main study conclusions according to the primary-school teachers conceptions (n=118) were: (i) the relevance of the proposed app development for the 4 th grade primary-school students related to the Human Body topic; (ii) the adequacy of the proposed learning approach and the five typologies of digital educational resources defined for the app, regarding its potential to promote a comprehensive and practical learning approach in Science Education, and to promote the development of scientific competences; and (iii) the adequacy of the real time availability of the three proposed learning management components, allowing to facilitate and enhance learning, and to tailor the students’ user experience and learning path, by supporting and helping them through the app’s digital educational resources exploration according to their educational performance. From the main conclusions, it is also important to highlight those that emerged from the experts’ conceptions and suggestions: (iv) the adequacy of the five app’s main screens, buttons and areas, defined within the graphic and functional specifications and reflected in the app’s wireflow – validated by three external experts in User Experience Design; (v) the adequacy of the educational contents to be addressed in the app and the expected learning outcomes with its exploration, defined in the didactic specifications and reflected in the scripts and storyboards of the app – validated by four external experts in Science Education, Multimedia in Education, Screenwriting, and Food Nutrition and Health; and (vi) the adequacy of the issues and events read by the app according to the adopted EDM methods and techniques, reflected in the conceptual EDM framework for Science Education, representing the set of processes, actions and operations aiming at to promote the students’ scientific competences development and to facilitate students’ self-regulated learning – validated by three external experts in Algorithms and Techniques of Algorithms Representation, and Performance Evaluation Algorithms. The various data collection techniques, the participation of different stakeholders, and the different validation processes and moments of the study allowed to validate the study decisions and options, assigning to the study coherence, scientific accuracy, content and concept validity, reliability, and a participatory and user-centred approach regarding the scientific outcomes and the final conclusions