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PROPOSTA METODOLÓGICA PARA O USO E
DEENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS NO
ENSINO DE ESTRUTURAS
Zacarias M. Chamberlain Pravia Faculdade de Engenharia e Arquitetura, Universidade de Passo Fundo Campus Bairro São José, CP 617, Passo Fundo, RS, CEP 99001- zacarias@upf.tche.br
Moacir Kripka Faculdade de Engenharia e Arquitetura, Universidade de Passo Fundo Campus Bairro São José, CP 617, Passo Fundo, RS, CEP 99001- mkripka@upf.tche.br
RESUMO : Este trabalho visa a descrever uma proposta metodológica para o uso e desenvolvimento de sistemas computacionais, para serem usados como ferramentas de ensino nas disciplinas da área de estruturas nos cursos de Engenharia. Baseado na experiência de aplicação de programas puramente educacionais, assim como de programas comerciais, avaliam-se os impactos positivos e negativos no ensino da análise e dimensionamento de estruturas. Traçam-se observações sobre o uso dessas ferramentas, para não serem apenas substitutas das tabelas contidas nos antigos manuais de engenharia, e se converterem em verdadeiras ferramentas de auxílio para o ensino dos conceitos fundamentais do comportamento das estruturas. Apresenta-se uma proposta para que a ABENGE congregue, através da Internet, uma rede de ensino computacional para as engenharias, todos os esforços de desenvolvimento de programas para o ensino da engenharia, podendo todas as escolas aproveitar essas ferramentas para aprimorar o desempenho de aprendizagem da engenharia de estruturas.
1. Introdução
A análise e dimensionamento de estruturas ou sistemas estruturais, são conhecimentos fundamentais nos cursos de engenharia civil. Porém, os estudantes em geral não são suficientemente motivados a aprender essas matérias, por duas razões fundamentais. A primeira, porque a análise estrutural envolve um alto nível de abstração, que dificulta adquirir tal conhecimento (principalmente das aulas clássicas de giz e quadro, ou até com transparências). A Segunda, porque tais conceitos são difíceis de serem visualizados. (Por exemplo, a maioria dos estudantes não consegue compreender porque algumas formas ou configurações de sistemas estruturais são estáveis e outras não.) O uso do computador no ensino da análise estrutural pode oferecer uma alternativa, aliada a outras, permitindo disponibilizar dinâmicas visuais do comportamento das estruturas. Neste trabalho avaliam-se as vantagens e desvantagens, do uso do computador no ensino de análise e dimensionamento de estruturas, através de uma revisão do estado da arte, através de várias publicações, e apresentado o caso do Curso de Engenharia Civil da Universidade de Passo Fundo. Com objetivo de propor um conjunto de recomendações,
sobre quais e como usar ferramentas computacionais para o ensino de estruturas, e como desenvolve-las.
2. Programas Educacionais
Existem alguns programas, que se autodenominam de caracter educacional, para o ensino da análise estrutural, dentro dos quais Chamberlain et al.[1] citam: (a) SOFTed – Conjunto de programas de baixo custo (ED-Frame, ED- Tridim, etc.) desenvolvidos pelo CIMNE[2]. Programas totalmente interativos para estruturas constituídas por barras, e apresentam todo o processo de análise da estrutura. (b) RUCKZUCK: programa interativo, em alemão, desenvolvido na Universidade Técnica de Graz[3], programa para análise de estruturas de barras, muito educativo no comportamento e nos métodos de análise matricial de estruturas. Semelhante aos programas SOFTed. (c) FTOOL: versão educacional de um programa comercial. Programa para análise de estruturas de barras totalmente interativo desenvolvido no TECGraf[4] da PUC de Rio de Janeiro, porém não têm caracter educacional. (d) SALT/UFRJ: Programa que trabalha com arquivos de dados, porém possui interface para adquirir os dados de modelos desenhados em softwares que possam gerar arquivos do tipo DXF. Este programa vem evoluindo, e é desenvolvido na UFRJ[5]. Embora este programa seja de uso profissional, tem uma versão “educacional”, com capacidades reduzidas. Alguns dos programa acima, têm versões educacionais, sem custo, precisando-se apenas uma conexão Internet para poder usa-los. Existem outros tipos de programas, que são totalmente gratuitos, e até com códigos fontes disponíveis, tais como o ALADDIN, FELT, de fácil localização na Internet, porém são programas com pouca ou nenhuma interatividade. Por outro lado tem-se os programas comerciais, para citar alguns: ANSYS, MSC/Pastran, DesignSpace, ABAQUS, STRAP, MICROFE, SAP2000, ANALYS, VISUALANALYSIS, STAAD II, etc. que são programas com muitos tipos de elementos e opções de análise ou dimensionamento, e podem ser compradas versão universitárias, com algumas vantagens em relação ao preço de mercado. Existem muitos códigos de programas para análise estrutural, que podem ser obtidos gratuitamente, porém sem muitas opções para o usuário. Também, pode-se encontrar pequenos programas para análise vigas ou pórticos de graça, que podem ser úteis. Cita-se aqui apenas alguns programas, pois existem centenas deles, gratuitos ou vendidos, não sendo objeto apresentar a gama de produtos disponíveis no mercado. Outra alternativa consiste na combinação de programas comerciais com código desenvolvido pelos educadores. Cita-se como exemplo o trabalho desenvolvido por Jensen & Pramono[6], que combinou o MSC/Pastran com código em FORTRAN. Dando ênfase para examinar e interpretar resultados. Uma proposta interessante é a apresentada por Chiou et al.[7] de elaborar programas em realidade virtual (VR), para modelar tipos de apoio e estruturas do tipo barras. Esses autores usaram 3DSTUDIO para modelar os objetos e o DVISE para manipular o ambiente virtual, e afirmam: “ A Realidade Virtual oferece novas perspectivas para pesquisar, não somente a tecnologia por si mesma, mas como uma proposta filosófica, estratégica e tática no ensino e a aprendizagem ”.
Entrentanto, como tinha-se descrito, o software educativo elaborado o desenvolvido para o ensino, poderá focar o mesmo assunto, mas de forma a enfatizar o poder crítico e de assimilação de conteúdos .” De acordo com essa ampla e concisa definição poucos programas são realmente adequados para serem usados no ensino. Dos aqui citados pode-se afirmar que, dentre os sistemas conhecidos, apenas o SOFTed, o RUCKZUCK, o trabalho de Masuero & Gonzales, e de Chou et al., seriam destacados como ferramentas computacionais de ensino, planejadas dentro de conceitos pedagógicos com o objetivo de fixar conteúdos e conceitos. Além disso só dois desses produtos (SOFTed, Massuero & Gonzales) são ou tem versão em português. Usar programas com menus, indicações e ajudas em outros idiomas, acarretariam mais problemas que soluções para o ensino de engenharia. Alguns educadores discutem, também, a necessidade ou não de ensinar programação de computadores e qual a linguagem, nas pesquisas bibliográficas realizadas para elaboração do presente trabalho, apenas um MASIH[11] afirma categoricamente que de ser usada a linguagem FORTRAN. Em relação ao ensino ou não de programação de computadores, existe uma polêmica muito grande por parte de diferentes autores. Existem outras preocupações importantes, tal com Heikal & Peeling[12] afirmam, ser urgente a necessidade de promover uma maior integração de aplicações isoladas, oriundas de diferentes disciplinas, numa visão mais abrangente e integrada do complexo da formação do engenheiro. Towsend[13] chama a atenção para os perigos do excesso no uso de computadores, onde está se enfatizando demais, no ensino de graduação de engenharia, o computador e os fantásticos laboratórios computadorizados, trazendo, como resultado, prejuízos a formação dos estudantes e redução de sua futura competência e capacidade crítica. Existe a necessidade de considerar nas diretrizes curriculares, e os projetos pedagógicos dos cursos de engenharia, como e com qual intensidade deve ser usado o computador no ensino e aprendizagem. Então, como deve ser encarado, o ensino de estruturas com o uso de computadores e programas? Algumas observações serão traçadas mais adiante na proposta deste trabalho.
4. O perigo dos erros produzidos por mal uso dos computadores
Numa série de editoriais do Journal of Computing in Civil Engineering da ASCE ( American Society of Civil Engineering ), foram apresentados os resultados de um conjunto de estudos de casos de erros produzidos pelo mal uso de computadores, assim como algumas recomendações para evitá-los. Estes estudos foram realizados pelo TCFE ( Task Comitte on Avoiding Failures Caused by Computer Misuse ). A seguir é apreentado um resumo dos dados, recomendações e conclusões apresentados por Puri[14], baseados nos trabalhos do TCFE. O TCFE analisou e classificou 52 casos de erros provocados pelo uso inadequado de computadores, os resultados dessa classificação apresentam-se na Tabela 1.
Tabela 1 – Casos coletados de erros e suas fontes no uso de computadores Fonte Equipamentos Programas Gerais Programas Aplicativos Total % dos Erros
e Sistemas Operacionais
CAD Planilhas Geotecnia Hidráulica Hidrologia
Estruturas
Equipamento 7 - - - - - 7 13 Programas 3 4 - 1 - 3 13 25 Usuário - 2 1 4 5 18 30 58 Outros 2 - - - - - 2 4 Total Casos 14 6 1 5 5 21 52 100 (Fonte: Puri[14])
Dos 52 casos analisados, pelo TCFE, 63% geraram soluções inadequadas, 6% soluções de baixo desempenho e 2 casos falhas catastróficas. Observa-se, na tabela 1, que a maior fonte de erros se da pelo mal uso dos programas por parte dos usuários. Considerando apenas os aplicativos para engenharia (31 casos), observa-se que 68% dos erros estão relacionados a análise e/ou dimensionamento de estruturas, sendo que 86% foram causados por uso indevido ou inexperiência dos usuários. Tais resultados são alarmantes, embora o TFCE chame a atenção que a amostra é pequena e não totalmente conclusiva. Já em 1984, Orenstein[15] afirmava: “ Software nas mãos de um engenheiro inexperiente é uma ameaça pública ” Pesquisas no sentido de avaliar os erros provocados por uso inadequado de computadores e programas ainda não foram realizadas no Brasil. Porém, tudo leva a acreditar que as percentagens anteriormente citadas podem ser iguais ou maiores para uso de aplicativos na área de estruturas. Algumas recomendações gerais são oferecidas pelo TCFE, para evitar os erros produzidos por computadores:
- Nunca acredite em computadores.
- O uso de computadores transforma a profissão de engenheiro. Porém, as seguintes observações devem ser apontadas: (a) Computadores (os equipamentos, os sistemas operacionais e os aplicativos para engenharia) podem ser ou conter defeitos; (b) Somente Engenheiros competentes podem fazer uso de ferramentas computacionais. Além disso o TCFE elaborou um documento, ainda em discussão, para minimizar os erros resultantes da confiança excessiva, as vezes até ilimitada, de muitos usuários no uso dos computadores na engenharia. A seguir transcrição desse documento:
As Universidades devem ser responsáveis por:
- Educar seus estudantes nos fundamentos da engenharia Os desenvolvedores de programas aplicativos devem ser responsáveis por:
- Validar os programas
- Listar e apresentar as hipóteses e limitações dos programas
- Informar ao usuário sobre os problemas (bugs) existentes nos programas Os Engenheiros devem ser responsáveis por:
- Selecionar os equipamentos, sistemas operacionais e os programas aplicativos para engenharia antes de adquiri-los;
- Testar rigorosamente os equipamentos, os sistemas operacionais e os aplicativos antes de usá-los para o trabalho do dia a dia;
- Treinar usuários no uso dos aplicativos;
- Incrementar a incredulidade nos usuários e gerentes, sobre as limitações dos aplicativos;
- Encorajar os usuários a desenvolver um saudável cepticismo sobre os computadores e programas;
- Supervisar de perto o trabalho de usuários inexperientes;
- Aconselhar usuários inexperientes no entendimento do comportamento dos sistemas, exigindo que realizem verificações, usando cálculos manuais, e promovendo um raciocínio crítico.
- Verificar sempre os dados, os modelos e os resultados, antes de proceder na preparação de documentos executivos de projeto.
(d) Demonstrar que programas e computadores, não substituem a apreciação intuitiva das estruturas, nem o entendimento de seu comportamento; (e) Obrigar aos alunos a verificar sempre os dados e resultados dos programas, seja manualmente ou através de visualizações gráficas; (f) Escolher estruturas simples e reais, para modela-las em sala de aula, e se possível criar modelos reduzidos, sem escala, que permitam observar o comportamento real dos modelos propostos; (g) Avaliar e escolher cuidadosamente os programas educacionais a serem usados. Lembre-se que programas educacionais tem por objetivo a fixação de conceitos e não apenas cálculos para obter resultados; (h) Evitar o uso de programas que não explicam os métodos e as hipóteses usados, pois são caixas pretas e fontes seguras de erros. Esta proposta não pretende ser definitiva, e deverá ser estudada e avaliada por professores da área de ensino de estruturas, e aprimorada constantemente de maneira dialética.
7. Proposta para o desenvolvimento de programas educacionais
De maneira geral pode-se afirmar que programas educacionais devem fixar conceitos fundamentais e lógica de processos, dos conteúdos associados ao conhecimento que deseja-se transmitir aos alunos. Algumas observações adicionais, para o desenvolvimento dessas ferramentas são: (a) As ajudas contextuais devem conter além das explicações de como usar o programa, os conceitos teóricos e processos usados nos cálculos, assim como referências bibliográficas ou digitais, para complementar o conjunto de conteúdos expostos no programa; (b) Os programas devem chamar a atenção sobre a necessidade de sempre verificar dados e resultados; (c) Os programas educativos devem conter farto número de exemplos, para facilitar a introdução do usuário no uso dos mesmos.
8. Conclusões e Comentários Finais
O panorama do ensino na área de estruturas não é dos mais animadores. As aulas convencionais são um paradigma já extinto, embora continuem sendo oferecidas na prática. O uso de várias técnicas e estratégias para o ensino devem ser usadas para obter melhore níveis de aprendizagem Dentre desse contexto pode-se incluir ferramentas como: visitas a obras, filmes em vídeo, softwares multimídia, modelos intuitivos de estruturas, aulas experimentais demonstrativas, construção de modelos pelos alunos, fornecimento de notas de aula e o uso de programas educacionais. Esta última ferramenta deve ser utilizada com muita cautela e com o devido acompanhamento. Neste trabalho apresentou-se um panorama sobre ferramentas computacionais para o ensino de estruturas, e propostas para o uso e desenvolvimento destas. Adicionalmente, foi comentou-se sobre o cuidado com os erros produzidos pelo uso de computadores. Com o objetivo de aprimorar os estudos sobre o uso de computadores no ensino e prática da engenharia os autores vem oferecer as seguintes propostas:
- Que a ABENGE organize seminários sobre o uso de recursos computacionais no ensino de engenharia;
- Que a ABENGE venha apoiar a criação de uma rede de repositórios de programas educacionais, nas mais diversas áreas da engenharia, para coloca-los a disposição dos educadores e acadêmicos das escolas de engenharia.
Os autores esperam ter criado o clima propicio para uma discussão mais profunda, sobre o uso de computadores, não apenas na área de estruturas, mas considerando-os no conjunto de conhecimentos necessários aso futuros engenheiros.
Referências Bibliográficas
[1] Chamberlain, Z.M. et al., Projeto de Pesquisa: “Desenvolvimento de Ferramentas Computacionais para Análise e Dimensionamento de Sistemas Estruturais ”. Relatório Interno, Universidade de Passo Fundo, maio, 1999. [2] CIMNE, The International Center for Numerical Methods in Engineering, UPC – Barcelona, Espanha. URL: http://www.cimne.upc.es/cimne/cimne_en/softed [3] RUCKZUCK. Institute for Structural Analysis, Technical University of Graz. URL: http://www.cis.tu-graz.ac.at.ifb/soft_fr.htm [4] Martha, L.F., “ FTOOL: um programa gráfico interativo para o ensino de comportamento de estruturas ”. URL: http://www.tecgraf.puc-rio.br/~lfm/ftool/ftool.htm [5] SALT/UFRJ, URL: http://acd.ufrj.br/~salt [6] Jensen, D., Pramono, E., Method for Teaching Finite Element wich combines The Advantages of Commercial Pre- and Postprocessing with Student Written software. Computer Applications in Engineering Education, Vol. 6, N. 2, pp. 105-114, 1998. [7] Chou, C. et al ., Construction of a Virtual Reality Learning Enviroment for Teaching Structural Analysis. Computer Applications in Engineering Education, Vol. 5, N. 4, pp. 223-230, 1997. [8] Chamberlain, Z.M., “ Software para Engenharia ”. In Anais do I Simpósio de Informática do Planalto Médio, Passo Fundo, Rio Grande do Sul, abril, 1999. [9] Masuero, J.R., Gonzales, L.A.S., “Ensino da Resistência dos Materiais através da Multimídia ”,. In Anais do XXVI COBENGE, pp. 2855-2865, São Paulo, 1998. [10] Frankenberg, C.L.C., “ Concepção Metodológica do Docente de Engenharia em relação ao uso de software como instrumento de Ensino-Aprendizagem ”. Porto Alegre: Seminário sobre Informática no Ensino de Engenharia, setembro,1992. [11] Masih, R.Y., Preparing the civil engineering education and profession for the next century. International Journal of Continuing Engineering Education. Vol1, N. 4 , pp. 391-398, 1991. [12] Heikal,M.R., Peeling, K.A., An Integrating role for the microcomputer on engineering education. Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers (Journal of Power and Enenrgy), Vol. 205, pp. 37-41, 1991. [13] Towsend, M.A., Computers and Engineering Education. Proceedings of the Eight Annual Conference on University Programs in Computer Aided Engineering, Design and Manufaturing – UPCEDM, pp. 83-87, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, EUA, 1990. [14] Puri, S.P.S., Avoiding Engineering Faiulures Caused by Computer related Errors. Journal of Computing in Civil Enginering. Vol 12, N. 4, pp. 170-172, 1998. [15] Orenstein, G.S., Instant Expertise: A danger of Small Computers. Civil Engineering- ASCE, June, 1984, pp. 50-51.
