Estratégias inovadoras no ensino de linguagens formais e autômatos : uso de jogos educativos em sala de aula

Abstract

RESUMO: Contexto: A disciplina de Linguagens Formais e Automatos (LFA) constitui um dos pilares teoricos fundamentais da Ciencia da Computacao, abordando modelos matematicos essenciais como a Hierarquia de Chomsky. No entanto, a disciplina e historicamente marcada por altos indices de reprovacao e dificuldades de aprendizado, decorrentes do elevado nivel de abstração exigido e da complexidade na formalizacao matematica de automatos e gramaticas. Motivacao: A persistencia de barreiras cognitivas no ensino tradicional de LFA evidencia a necessidade de novas abordagens didaticas. A motivacao central deste trabalho reside na exploracao de metodologias ativas, especificamente a gamificacao, como meio de mitigar a dificuldade do formalismo matematico. Busca-se investigar se a integracao de um ecossistema ludico pode transformar a experiencia de aprendizado, tornando conceitos abstratos (como estados, transicoes e pilhas) em mecanicas tangiveis e engajadoras. Hipotese: A hipotese central e que a utilizacao sistemática de jogos educativos, integrados ao curriculo de LFA, promove uma melhora estatisticamente significativa no desempenho academico, reduz a dispersao das notas e aumenta o engajamento discente em comparacao aos metodos de ensino tradicionais expositivos. Objetivo: O objetivo geral e desenvolver, aplicar e avaliar um conjunto de ferramentas ludicas e algoritmicas para o ensino de LFA, realizando um estudo quase-experimental comparando um Grupo Experimental (2023) com um Grupo de Controle (2024). Alem disso, o trabalho propoe e valida um algoritmo para Minimizacao de Estados de Maquinas de Turing. Avaliar a eficacia pedagógica e a usabilidade dos artefatos utilizando metricas consolidadas (MEEGA+, PAJDE, IAQJEd). Resultados obtidos: A analise quantitativa e qualitativa confirmou a eficacia da intervencao em diferentes niveis: desempenho superior nos topicos de Automatos Finitos Deterministicos (AFD), Gramaticas Regulares (GR) e Simplificacao de GLC. Alem disso, a abordagem homogeneizou o aprendizado em topicos de alta complexidade (Automatos com Pilha e Maquinas de Turing), observando uma reducao drastica na variancia das notas do Grupo Experimental. Os jogos atuaram como equalizadores, garantindo que a base da turma atingisse um nivel uniforme de compreensao logica, embora a formalizacao matematica rigorosa permaneca um desafio. Por outro lado, o algoritmo de minimizacao de MT proposto foi validado quanto a sua corretude e eficiencia. Adicionalmente, os jogos desenvolvidos (incluindo prototipos com Arduino e jogos de tabuleiro como Unno Binario) obtiveram avaliacoes de qualidade pedagogica e usabilidade classificadas como "Altas" pelas metricas aplicadas.

ABSTRACT: Context: The Formal Languages and Automata (FLA) discipline constitutes one of the fundamental theoretical pillars of Computer Science, addressing essential mathematical models such as the Chomsky Hierarchy. However, the discipline is historically marked by high failure rates and learning difficulties, stemming from the high level of abstraction required and the complexity involved in the mathematical formalization of automata and grammars. Motivation: The persistence of cognitive barriers in traditional FLA teaching highlights the need for new didactic approaches. The central motivation of this work lies in the exploration of active methodologies, specifically gamification, as a means to mitigate the difficulty of mathematical formalism. This study seeks to investigate whether the integration of a playful ecosystem can transform the learning experience, turning abstract concepts (such as states, transitions, and stacks) into tangible and engaging mechanics. Hypothesis: The central hypothesis is that the systematic use of educational games, integrated into the FLA curriculum, promotes a statistically significant improvement in academic performance, reduces grade dispersion, and increases student engagement compared to traditional expository teaching methods. Objective: The general objective is to develop, apply, and evaluate a set of playful and algorithmic tools for teaching FLA, conducting a quasi-experimental study comparing an Experimental Group (2023) with a Control Group (2024). Furthermore, this work proposes and validates an algorithm for Turing Machine State Minimization. It also evaluates the pedagogical effectiveness and usability of the artifacts using consolidated metrics (MEEGA+, PAJDE, IAQJEd). Results obtained: Quantitative and qualitative analysis confirmed the effectiveness of the intervention at diferente levels: superior performance in the topics of Deterministic Finite Automata (DFA), Regular Grammars (RG), and Simplification of Context-Free Grammars (CFG). Moreover, the approach homogenized learning in high-complexity topics (Pushdown Automata and Turing Machines), observing a drastic reduction in grade variance within the Experimental Group. The games acted as equalizers, ensuring that the class baseline reached a uniform level of logical understanding, although rigorous mathematical formalization remains a challenge. On the other hand, the proposed TM minimization algorithm was validated regarding its correctness and efficiency. Additionally, the developed games (including Arduino prototypes and board games like Unno Binario) obtained pedagogical quality and usability ratings classified as "High" by the Applied metrics.