Nuevas Ideas en Informática Educativa TISE 2013

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Jogos Sérios na Educação: Uma Abordagem para Ensino-Aprendizagem de Redes de Computadores (Fase I)Fabrício Herpich

Universidade Federal de Santa Maria Programa de Pós-Graduação em

Informática fabricio.herpich@gmail.com

Felipe Becker Nunes

Universidade Federal de Santa Maria Programa de Pós-Graduação em

Informática nunesfb@gmail.com

Rafaela Ribeiro Jardim Universidade Federal de Santa Maria

Programa de Pós-Graduação em Informática

rafa.rjardim@gmail.com

Gleizer Bierhalz Voss Universidade Federal de Santa Maria

Programa de Pós-Graduação em Informática

gleizer.voss@gmail.com

Ricardo Frohlich da Silva Universidade Federal de Santa Maria

Programa de Pós-Graduação em Informática

ricardosma@gmail.com

Roseclea Duarte Medina Universidade Federal de Santa Maria

Programa de Pós-Graduação em Informática

roseclea.medina@gmail.com

ABSTRACT The serious games are simulated environments that enable test, hit and miss several times, respecting the time cognitive educating, assisting for your learning and practical application. In this context, serious games emerge as educational technology through interactive software that aims to simulate the real environment, which in essence are critical, precise or expensive. This paper presents an analysis of the tool CyberCIEGE and also exposes the proposal for application in classroom teaching Security for Computer Networks in order to verify its contribution to the cognitive development of students through concepts and subsumers exposure to different scenarios.

Keywords Serious Games, Computer Networks and CyberCIEGE.

RESUMO Os jogos sérios são ambientes simulados que possibilitam testar, acertar e errar diversas vezes, respeitando o tempo cognitivo do educando, auxiliando para o seu aprendizado e aplicação prática. Neste contexto, os jogos sérios surgem como tecnologia educacional por meio de softwares interativos que tem como objetivo simular os ambientes reais, que em sua essência são críticos, precisos ou caros. Este artigo apresenta uma análise da ferramenta CyberCIEGE, como também expõe a proposta de aplicação em sala de aula no ensino de Segurança para Redes de Computadores, a fim de verificar sua contribuição para o desenvolvimento cognitivo dos alunos, por meio de conceitos subsunçores e a exposição à diferentes cenários.

Descritor de Categorias e Assuntos K.3.2 [Computer and Information Science Education]: Information systems education - Computer Science Education and Information Systems Education. C.2 [Computer - Communication Network]: C.2.0 General - Data Communications, Security and Protection.

Termos Gerais Documentation, Experimentation and Security.

Palavras Chaves Jogos Sérios, Redes de Computadores e CyberCIEGE.

1. INTRODUÇÃO As Redes de Computadores (RC) estão presentes em nosso cotidiano, nas empresas, residências, instituições de ensino e até mesmo na utilização de um terminal eletrônico do banco. Neste contexto, de acordo com Tanenbaum [1], as redes de computadores são um conjunto de computadores interconectados por uma única tecnologia.

Logo, para administrar e manter estas redes em funcionamento se faz necessária a existência de profissionais capacitados que têm a tarefa de realizar o projeto físico e lógico, instalar softwares, gerenciar serviços e principalmente manter o bom desempenho, disponibilidade e segurança. No entanto, o ensino de redes de computadores não é uma tarefa trivial, pois muitas vezes durante as aulas os conceitos não são muito bem ilustrados, tornando-se monótono quando o professor fala na maior parte do tempo.

Desse modo, um dos maiores desafios enfrentados pelo professor, é a dificuldade de preparar o aluno para a prática profissional em um ambiente acadêmico, para tanto, cabe ao professor encontrar um meio de realizar atividades práticas que despertem o interesse do educando, ao invés de ministrar apenas aulas teóricas. Neste contexto, Voss et al. [2] afirma que a utilização de tecnologias digitais é possível facilitar o aprendizado do aluno com atividades, simulações e exercícios que complementam a fixação dos assuntos abordados.

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Neste sentido, os jogos sérios podem ser uma boa alternativa, pois fazem parte da vida das crianças, jovens e adultos, sendo utilizados como forma de entretenimento. Em geral, podem ser definidos como uma atividade lúdica, realizada no contexto de uma realidade simulada, no qual os participantes tentam alcançar, pelo menos, uma meta arbitrária, não trivial, agindo de acordo com as regras [3]. Para Mitamura et al. [4], os chamados jogos sérios, têm recebido uma atenção significativa e tem havido um movimento ativo para que efetivamente enriqueçam os ambientes de aprendizagem.

Nesta perspectiva, a ferramenta CyberCIEGE foi escolhida pelo fato de apresentar inúmeros cenários e problemas recorrentes à Segurança de RC, também por permitir o desenvolvimento de novos cenários e deter de uma vasta gama de documentações e materiais de apoio. Podemos citar como exemplo de jogo sério o TCN5 de Voss et al. [5].

Diante deste contexto, este artigo tem como objetivo abordar a proposta de utilização e implementação do jogo sério CyberCIEGE, o qual será, futuramente, aplicado à estudantes da UFSM, possibilitando simulações da parte prática na disciplina de Redes de Computadores como forma de complementação da teoria em Segurança da Informação apresentada em sala de aula.

Este artigo está organizado da seguinte maneira: a seção dois expõe os trabalhos correlatos, os quais serviram de base para esta pesquisa; a seção três apresenta o referencial teórico, o qual apresenta alguns conceitos sobre o ensino de Redes de Computadores, Jogos Sérios e o CyberCIEGE; na seção quatro é descrita a metodologia utilizada na aplicação do jogo aos estudantes; na seção cinco são discutidos os resultados e na seção seis são realizadas considerações finais deste trabalho.

2. TRABALHOS CORRELATOS A aplicação de laboratórios virtuais ou jogos sérios possibilitam a simulação de situações reais que em muitas vezes são críticas, ou caras de serem realizadas. No caso de RC, é muito custoso obter e manter um laboratório real, pois os equipamentos são de valor elevado e pode vir a ser descartado rapidamente ou ficar obsoleto.

No trabalho de Voss et al. [2], é apresentado sugestões de uso de laboratórios virtuais na disciplina de RC, no qual a utilização da ferramenta deverá considerar os conteúdos a serem apresentados aos alunos. É efetuada uma pesquisa sobre planos de ensino e conteúdos apresentados em três universidades, onde são apresentadas diversas ferramentas para aprendizado, destacando as suas características. Para a validação foram propostos temas da disciplina e testados com o intuito de verificar se as ferramentas estudadas atendem aos objetivos no ensino-aprendizado. Os resultados vistos comprovaram que é possível abordar os temas propostos e obter um resultado satisfatório no ensino.

No trabalho de Hassan [7], é apresentado um laboratório virtual 3D de redes de computadores que foi desenvolvido em linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language) integrada aos vários tipos de mídias disponíveis (texto, imagem, animação, áudio e vídeo). O objetivo principal deste trabalho foi fornecer um ambiente de aprendizado possibilitando a prática e desenvolvimento de habilidades em trabalhos em grupo.

Já Gurgel et al. [7], utilizou a ferramenta de simulação de RC chamada Netkit para realização de onze atividades práticas nas disciplinas: Administração e Gerenciamento de Redes do ICMC/USP. Os laboratórios virtuais de redes incluem

dispositivos de hardware necessários para seu gerenciamento, bem como os enlaces virtuais que os interligam. Esta ferramenta proporciona a criação de laboratórios com ambientes projetados para situações específicas e também permite que o aluno configure a rede virtual desde o início, para além de compreender conceitos, aprendam a configurar redes.

É importante ressaltar a relevância destas pesquisas correlacionadas, pois através delas se obtêm um panorama geral sobre o desenvolvimento desta área. Dentre os trabalhos citados, este se diferencia por permitir o desenvolvimento de novos cenários, com novos objetivos e desafios aos aprendizes da área. Além de proporcionar um ambiente lúdico, no qual o estudante tem a possibilidade de aprender de forma descontraída e divertida.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nesta seção, uma revisão bibliográfica será realizada com o objetivo de prover um embasamento teórico aos tópicos abordados neste trabalho. São explanados os conteúdos referentes ao ensino de redes de computadores, jogos sérios e CyberCIEGE.

3.1. Desafios no Ensino de RC O ensino e aprendizagem de redes de computadores não é uma tarefa fácil, embora seja possível ensinar e aprender por meio de livros, conceitos e teorias, como normalmente a disciplina de redes de computadores é apresentada, a prática é um fator de grande relevância no processo educacional. Segundo Voss et al. [8], um dos principais problemas identificados nessas atividades é a falta de utilização de ferramentas de forma pontual, na qual são realizadas atividades predominantemente teóricas, que não retratam a realidade da prática do ensino de RC.

Outro desafio refere-se à falta de um laboratório físico para a realização das atividades nas instituições de ensino, devido ao custo envolvido com aquisição e manutenção dos equipamentos, tais como switches e servidores, bem como a elevada taxa de obsolescência dos mesmos. A disponibilidade de equipamentos suficientes para o número de alunos também é outro fator que dificulta a realização de atividades práticas.

Para Pinheiro et al. [10], a utilização de ambientes simuladores podem representar situações difíceis de serem representados na vida real, servindo no preparo e treinamento de alunos. É o caso do jogo CyberCIEGE, que disponibiliza um ambiente onde pode-se testar diversos recursos de segurança de informação, proporcionando um ganho não só no que diz respeito à aprendizagem, como também uma economia considerável em relação aos equipamentos necessários às demonstrações.

3.2. Jogos Sérios na Educação A utilização de jogos sérios no processo de ensino-aprendizagem está em constante crescimento. Conforme Netto et al. [11], este crescimento se dá devido a um ambiente favorável que desperta interesse do aluno e o motiva a explorar, pesquisar, refletir e depurar suas ideias.

De acordo com Adams [3], jogos sérios podem ser definidos como uma atividade lúdica realizada no contexto de uma realidade simulada, no qual os participantes tentam alcançar, pelo menos uma meta arbitrária, não trivial, agindo de acordo com as regras. Sendo vistos como uma ferramenta educacional de grande potencial a ser explorado quando aplicada em sala de aula.

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O uso de jogos sérios permite uma experiência mais concreta, maior interação com conceitos específicos e o aprimoramento de senso crítico, além de o formato dos jogos terem um atrativo maior, conseguindo atingir até alunos com problemas de atenção [12]. Com isso, o aprendizado baseado em jogos pode ser utilizado em conjunto com o ensino de sala de aula, adicionando novas formas de aprendizado e de aquisição de habilidades e competências requeridas no mundo dos negócios. A aplicação de jogos e simulações é uma oportunidade para os alunos aplicarem conhecimentos e realizarem experimentos em um "mundo virtual seguro" sem consequências reais [13].

3.3. CyberCIEGE Trata-se de um jogo com ambiente interativo onde o usuário tem como finalidade abordar aspectos de segurança em organizações de TI, através de gerenciamento de recursos e de políticas de segurança da informação. O usuário é exposto a diversos cenários, cada qual com suas tarefas e objetivos (Figura 1), onde o jogador precisa ter um prévio conhecimento dos conceitos de redes de computadores para então poder solucioná-los.

Figura 1. Cenários do jogo sério CyberCIEGE.

Segundo Irvine et al. [14, 15], os elementos do CyberCIEGE são: mecanismo de simulação, linguagem de definição de cenário, ferramenta de desenvolvimento de cenários, registros de avaliação dos alunos e vídeos explicativos. O objetivo principal deste jogo é proporcionar medidas de segurança necessárias na tentativa de proteger a organização de TI. O CyberCIEGE possui firewalls configuráveis, VPNs, mecanismos de controle de acesso entre outros. Existem diferentes tipos de ataques, tais como: cavalos de Tróia, denial of service (DoS), exploit, vírus, entre outros.

Figura 2. Componentes e Ferramentas do jogo sério

CyberCIEGE. O CyberCIEGE está organizado em cenários, onde são abordados tópicos referentes à segurança de RC. Abrange uma visão geral

onde o aluno precisa manter a segurança e disponibilidade da Rede de Computadores, por meio de configurações nos equipamentos e até mesmo o treinamento de funcionários.

4. METODOLOGIA O desenvolvimento deste estudo surgiu através da necessidade de uma ferramenta que pudesse contribuir e auxiliar o aluno em seu processo de aprendizagem na disciplina de Redes de Computadores, onde foi constatado uma dificuldade em esclarecer conceitos relacionados à Segurança da Informação, por se tratarem de assuntos demasiados teóricos e com pouco estímulo à prática.

Diante disso, este estudo vislumbra identificar as principais características deste jogo, e.g., seus cenários e componentes, bem como, suas vantagens e desvantagens como ferramenta de potencial para a educação. Para apurar maiores resultados, este projeto será aplicado em sala de aula da UFSM, em que duas etapas previamente projetadas foram elaboradas, como segue.

A primeira etapa caracterizou-se pelo levantamento do referencial teórico sobre o tema, na qual foi selecionado o jogo sério CyberCIEGE, que envolve problemas semelhantes aos vistos em sala de aula, se encaixa no contexto de uma abordagem colaborativa para a educação e proporciona um ambiente com diversos recursos. Nesta etapa, propõem-se aplicar duas aulas, com o objetivo de abordar diversos conteúdos relacionados à segurança e suas ferramentas, buscando desta forma, estabelecer conceitos subsunçores, vistos em Medina [16], colaborando para a aprendizagem significativa e preparando os estudantes para os desafios impostos pelo jogo.

Figura 3. Procedimento da Aplicação.

A segunda etapa é constituída por diversos momentos, como segue:

• Primeiro Momento: caracterizou-se pela seleção de cenários, onde foram elaborados padrões de avaliação e métricas a serem utilizadas durante este momento. Para tanto, os critérios aplicados na seleção de cenários foram determinados por meio

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de avaliações e testes coordenados pelo grupo, para que fossem selecionados somente àqueles condizentes com o nível abordado nos cursos de graduação e que enfatizassem os recursos e ferramentas para segurança da informação.

• Segundo Momento: para o assimilação dos estudantes em relação ao CyberCIEGE, será realizada uma aula para a apresentação do jogo. Neste momento, será solicitado que utilizem os cenários preliminares para um treinamento, vistos na Figura 3, onde também terão a oportunidade de sanar suas dúvidas sobre a ferramenta.

• Terceiro Momento: para que haja uma distribuição justa dos cenários, será realizado um sorteio (com as fases eleitas no Primeiro Momento). Dessa forma, cada estudante terá que realizar os objetivos propostos por ela. Neste momento, também será disponibilizado um formulário com questões para serem respondidas, onde o estudante esclarecerá quais eram os objetivos da fase e como ele os resolveu.

Anteriormente e durante a realização destas etapas, serão disponibilizados materiais de auxílio para os estudantes no ambiente virtual de aprendizagem (AVA) Moodle, o qual é utilizado pelos cursos da UFSM como ferramenta colaborativa no processo de ensino-aprendizagem. Neste ambiente, irão ser incorporados vídeos do CyberCIEGE, links relacionados ao assunto, manuais da ferramenta, como também resumos adaptados pelo grupo.

5. CONCLUSÃO A utilização de jogos sérios vem despontando como uma ferramenta de grande potencial para a educação, pois faz com que o estudante exercite seus conhecimentos em cenários virtuais. Este artigo apresentou uma de análise dos conteúdos trabalhados pelo jogo sério CyberCIEGE, bem como, a proposta de aplicação futura deste em sala de aula.

Como resultado geral, foi possível observar que os jogos sérios, enfatizando a utilização da ferramenta CyberCIEGE, possuem um grande potencial para colaborar no processo de ensino-aprendizagem. Como trabalhos futuros, pretende-se dar continuidade ao projeto através da aplicação em sala de aula e também fomentar a disseminação de jogos sérios para a educação e contribuir através do estudo de novas ferramentas, como também, desenvolver novos cenários abordando diferentes objetivos, desafios e problematização para o CyberCIEGE. Também, se almeja em pesquisas futuras, abranger o conceito colaborativo destas tecnologias educacionais, visando proporcionar maior interação entre os participantes, e, sobretudo, incentivando o diálogo-problematizador sobre as atividades.

6. REFERÊNCIAS [1] Tanenbaum, A. S. (2003) "Redes de computadores".

Tradução Vandemberg D. de Souza. In: Rio de Janeiro: Elsevier – 6ª Reimpressão. 2003.

[2] Voss, G. B., Medina, R. D., Amaral, E. M. H., Araújo, F. V., Nunes, F. B., Oliveira, T. B. (2012) "Proposta de utilização de laboratórios virtuais para o ensino de Redes de Computadores: Articulando ferramentas, conteúdos e possibilidades. (Fase I)". In: Revista Novas Tecnologias na Educação (RENOTE), v.10, n.2, p.1-10.

[3] Adams. E. (2010). “Fundamentals of game design”, In: New Riders, 2th edition. [4] Voss, G. B., Nunes, F. B., Oliveira, T. B., Medina, R. D. (2013) “TCN5 - Desenvolvimento de um laboratório virtual de redes de computadores sensível ao contexto”. In: XXXIII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (CSBC).

[4] Mitamura, T.; Suzuki, Y.; Oohori, T. (2012) “Serious games for learning programming languages”. In: Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2012 IEEE International Conference on, pp.1812,1817, 14-17 Oct.

[5] Voss, G. B., Nunes, F. B., Oliveira, T. B., Medina, R. D. (2013) “TCN5 - Desenvolvimento de um laboratório virtual de redes de computadores sensível ao contexto”. In: XXXIII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (CSBC).

[6] CyberCIEGE. (2013). Página oficial da ferramenta, http://cisr.nps.edu/cyberciege/, Julho.

[7] Hassan, E. (2003) “Laboratório Virtual 3D para ensino de Redes de Computadores”. In:XIV Simpósio Brasileiro de Informática na Educação (SBIE).

[8] Voss, G. B., Medina, R. D., Amaral, E. M. H., Araújo, F. V., Nunes, F. B., Oliveira, T. B. (2012). Proposta de utilização de laboratórios virtuais para o ensino de Redes de Computadores: Articulando ferramentas, conteúdos e possibilidades. (Fase I). In: Revista Novas Tecnologias na Educação (RENOTE), v.10, n.2, p.1-10.

[9] Gurgel, P., Barbosa E., Branco K. (2012). “A ferramenta Netkit e a virtualização aplicada ao ensino e aprendizagem de redes de computadores”. In: XXXII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (CSBC).

[10] Pinheiro, R. P.; Lins, F. A. A.; Melo, J. C. B. "A utilização de simulações no ensino de Redes de Computadores", http://www.eventosufrpe.com.br/jepex2009/cd/resumos/R0311-1.pdf

[11] Netto, D. P. Da S., Dos Santos, M. W. A. (2012). "AlfaGame: Um Jogo para auxílio no processo de alfabetização", In: Anais do XXIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação (SBIE) apud Valente (2002).

[12] Cone, B. D., Thompson, M. F., Irvine, C. E., Nguyen, T. D. (2006) "Cyber Security Training and Awareness Through Game Play". In: IFIP International Federation for Information Processing, Volume 201, pp. 431-436.

[13] Pivec, M. (2007) "Play and learning: potentials of game-based learning". In: British Journal of Educational Technology, v. 38.

[14] Irvine, C. E., Thompson, M. F., Allen, K. (2005) "CyberCIEGE: An Extensible Tool for Information Assurance Education". In: Proceedings of the 9th Colloquium for Information Systems Security Education.

[15] Irvine, C. E., Thompson, M. F., Allen, K. (2005) “CyberCIEGE: Gaming for Information Assurance”, In: IEEE Security and Privacy, May/June, pp. 61-64.

[16] Medina, R. D. (2004). ASTERIX: Aprendizagem significativa e tecnologias aplicadas no ensino de redes de computadores: integrando e explorando possibilidades. In: Porto Alegre - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 174p. Tese de Doutorado.