Sistema Web para Apoio ao Ensino de Biologia Molecular e Bioinformática

REZENDE, Paulo Humberto1, FRANCO, Matheus Eloy1.

1IFSULDEMINAS - Câmpus Machado/Área de Computação, Machado, Brasil

Resumo- O processo de ensino aprendizagem de biologia molecular e bioinformática no IFSULDEMINAS - Câmpus Machado apresenta limitações no que tange as ferramentas utilizadas. Através de entrevistas não diretivas com professores e alunos que cursam a disciplina de biologia molecular verificou-se a dificuldade no aprendizado dos conteúdos pelos alunos e também o desafio para os docentes de tornar o assunto que é bastante abstrato mais lúdico e de melhor compreensão pelo aluno. Diante do problema foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre as áreas de educação e ensino de biologia a fim de tentar considerar as reflexões propostas na solução a ser desenvolvida. A partir do levantamento, foi desenvolvido um sistema web com conteúdos sobre biologia molecular e bioinformática, rotinas de transcrição de sequências genéticas e consultas ao banco de dados do NCBI1 usando a ferramenta BLAST2, através da biblioteca .NET Bio. O sistema possui controles de acesso e os conteúdos encontram-se divididos em módulos. A criação de um sistema web para apoio ao ensino de biologia molecular e genética busca contribuir com o aprendizado dos conteúdos destas disciplinas mostrando-se como um complemento a abordagem expositiva tradicional.

Palavras-chave— Ambiente de aprendizagem web, Ensino de Biologia, Bioinformática

I. INTRODUÇÃO A utilização de sistemas computacionais tem se

tornado uma prática cada vez mais comum no ambiente escolar, embora ainda não sendo uma realidade homogênea entre as instituições de ensino. Um dos registros mais antigos do uso do computador na educação, data da década de 50, onde na ocasião um computador foi usado para resolver problemas relacionados ao um curso de pós-graduação, e em 1958 como “máquina de pensar”, no centro de pesquisa Watson da IBM e na Universidade de Illinois. No Brasil ideia de utilização do computador no processo ensino-aprendizagem surgiu por volta de 1971 [1].

Neste sentido, muitas expectativas foram criadas tendo em vista mudanças no processo educacional com a utilização destas ferramentas. Porém o que se percebe é que nem sempre a realidade escolar condiz com a realidade tecnológica em que estamos inseridos e quando esta premissa é verdadeira resta ainda analisar se esta utilização sugere mudanças na abordagem pedagógica ou

1 Centro Nacional de Informações Biotecnológicas dos Estados Unidos 2 Basic Local Alignment Search Tool

apenas solidifica a abordagem tradicional de ensino baseada na prática transmitivista.

Mesmo com os avanços na área da ciência da tecnologia o ensino de biologia ainda continua baseando-se quase que exclusivamente na metodologia de aulas expositivas e com restrita participação dos alunos. A utilização de outras modalidades didáticas como filmes, programas computacionais, atividades extraclasse são, na maioria das vezes, fruto do esforço de alguns professores, mas não uma realidade comumente encontra nas salas de aulas[2]. Desta maneira, deve-se considerar as limitações no processo de ensino aprendizagem de genética molecular e bioinformática nos cursos técnicos e superior em biologia do IFSULDEMINAS- Campus Machado no que tange a ferramentas de apoio ao ensino destes conteúdos. Nesta perspectiva, propõe-se a criação do sistema web para apoio ao processo de ensino-aprendizagem de biologia molecular e bioinformática. Informática aplicada ao ensino de biologia

O entendimento sobre a “informática na educação” consiste no fato de o professor de uma disciplina qualquer de um curso qualquer (médio ou superior) conhecer os potenciais educacionais do computador e desta forma, saber alternar métodos tradicionais de ensino e atividades utilizando o computador. Isto é possível em todas as áreas de ensino, porém alguns campos da ciência que estão mais estritamente ligado a informática esta abordagem torna-se ainda mais fácil [1]. Neste contexto, não se pode deixar de mencionar o campo da biologia molecular. Com a utilização da informática e das novas tecnologias, avanços significativos por meio de pesquisas científicas renderam em descobertas que revolucionaram a ciência. Pode-se citar, como exemplo, o estudo dos nucleotídeos. Para seu estudo é necessário processar e armazenar uma grande quantidade de informações. Porém, isto somente foi possível com a utilização do computador, a criação de banco de dados biológicos e a construção de ferramentas para pesquisas e análises [3].

Apesar da multidisciplinaridade existente entre as áreas de informática e biologia molecular, nem sempre estas ferramentas são utilizadas na sala de aula. Entre os possíveis motivos, pode-se acenar para o desconhecimento, a interface complexa destas

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ferramentas e o fato de que os materiais em sua suma maioria estarem escritos na língua inglesa.

Tendo em vista a importância da correta utilização do computador e outras ferramentas tecnológicas no processo ensino-aprendizagem e as ferramentas existentes para pesquisas e a manipulação de dados genômicos propôs-se a criação de um sistema web para apoiar o processo educacional na disciplina de biologia molecular e bioinformática. Desta forma pretende-se aproximar estas tecnologias restritas ao âmbito científico ao ambiente escolar e tentar contribuir para uma abordagem pedagógica menos transmitivista [3].

II. MATERIAL E MÉTODOS

Para o desenvolvimento do sistema web foram seguidas algumas etapas que se inicia com pesquisa exploratória, pesquisa bibliográfica e desenvolvimento da aplicação.

A metodologia do presente trabalho baseia-se numa pesquisa-ação, que é definida como “um tipo de pesquisa com base empírica que é concebida e realizada em estreita associação com uma ação ou com a resolução de algum problema coletivo e no qual os pesquisadores e participantes representativos da situação ou do problema estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo” [4]. Por ser tratar de uma pesquisa-ação, diferentemente da pesquisa clássica, que se inicia com um levantamento bibliográfico, esta privilegia o contato direto com o campo que será objeto de estudo e onde será aplicada a solução. Neste sentido, tendo em vista uma melhor compreensão sobre a prática de ensino dos conteúdos de biologia molecular e genética na disciplina de biologia foram realizadas entrevistas não diretivas com professores e alunos.

Nas entrevistas com os professores, os mesmos informaram a dificuldade no ensino dos conteúdos pelo fato destes serem bastante abstratos e resultarem em demasiada teoria. Na visão destes professores, isto pode contribuir para a dificuldade de atenção dos alunos. Quando questionados sobre a possibilidade de um sistema web que pudesse auxiliar o processo ensino-aprendizagem destes conteúdos, demonstraram grande entusiasmo.

Pelo fato do trabalho envolver as áreas da educação, tecnologia e ensino de biologia, foi realizada também uma pesquisa bibliográfica com a leitura de livros e artigos dos principais autores das respectivas áreas a fim de considerar as reflexões propostas na construção do sistema podendo-se destacar os trabalhos de Veiga [5], Lepienski & Pinho [6] e Krasilchilk [7].

Na etapa de desenvolvimento do sistema, primeiramente foi realizado um levantamento do sobre as tecnologias que poderiam ser utilizadas para o desenvolvimento do trabalho. Após algumas pesquisas selecionou-se a plataforma .NET que possui uma integração com bancos de dados biológicos e

implementações dos principais algoritmos de bioinformática através do projeto .NET BIO [8].

O referido sistema e baseou-se em metodologias de desenvolvimento de sistemas RAD (Rapid Application Development). O mesmo foi desenvolvido no framework .NET na linguagem C# e utilizando o banco de dados MySQL [9].

III. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir das entrevistas com os professores de

ensino de biologia, os mesmos informaram a dificuldade no ensino dos conteúdos de biologia molecular pelo fato destes serem bastante abstratos e resultarem em demasiada teoria. Este pensamento comunga com o de Valente [1] ao afirmar que quando o conhecimento é apenas transmitido, é difícil obter aprendizagem significativa. Na opinião destes professores, o excesso de aulas expositivas pode contribuir para a dificuldade de atenção dos alunos. Nesta perspectiva, vale citar o trabalho de Krasilchik [7] que mostra o excessivo uso de aulas expositivas no ensino de biologia.

A. A utilização da ferramenta Web no Ensino de Biologia Molecular.

A fim de obter uma percepção pedagógica sobre a utilização da ferramenta desenvolvida foram realizadas entrevistas com um professor da área. O sistema foi apresentado e explicado como se daria o seu funcionamento. O professor comentou que uma das grandes deficiências na formação do professor diz respeito à compreensão de conceitos básicos de biologia molecular. A partir desta informação, o entrevistado foi questionado sobre as possíveis causas que considera responsáveis por este problema. Em sua opinião, a memorização de conteúdos em lugar do verdadeiro aprendizado é a grande causa deste problema.

Vale ressaltar que a opinião do entrevistado trilha o mesmo pensamento defendido por Lepienski & Pinho [2], quando alerta sobre o excesso de aulas expositivas e falta de compreensão dos conteúdos. O entrevistado foi ainda questionado se com a utilização do sistema desenvolvido este problema poderia ser amenizado. Segundo seu pensamento, um sistema web como o desenvolvido neste projeto pode sim contribuir significativamente para a compreensão de conteúdos relacionados à biologia molecular. Ainda afirmou que no Módulo II da aplicação, quando o aluno consulta uma sequência e realiza a transcrição/tradução, o professor pode orientar o aluno a realizar alterações na sequência, comparar o resultado e verificar, por exemplo, se houve mutação. Nisto se dá a construção do conhecimento defendida por Valente [1].

B. O Sistema Desenvolvido O sistema possui uma rotina de login que permite

a seleção do usuário em categorias (professor ou aluno). Através destas categorias são definidos privilégios diferenciados, como por exemplo, geração de relatórios, somente a usuários da categoria professor.

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Figura 1: Fluxo básico do sistema

Os conteúdos da aplicação estão divididos em três módulos. Há uma rotina que verifica e armazena no banco quais módulos o usuário acessou e quanto tempo o mesmo permaneceu conectado no módulo e na aplicação como um todo. Somente após acessar o módulo I e ficar um período mínimo de tempo na página, o mesmo poderá seguir para o módulo II, caso contrário, será informado que não acessou e/ou não permaneceu tempo suficiente no módulo anterior e por isso estará sendo redirecionado.

No módulo I da aplicação, o usuário tem acesso a conteúdos relacionados ao estudo dos nucleotídeos como sua estrutura, propriedades, processo de tradução e transcrição. O conteúdo baseia-se em material textual e multimídia.

No módulo II a aplicação permite ao usuário a inserção de uma sequência de DNA e realizar sua transcrição para RNA e tradução para aminoácidos. Para isso, foi utilizada a biblioteca .NET BIO, que é um conjunto de ferramentas para a análise e manipulação de informações genômicas. A biblioteca .NET Bio é construída baseada no framework .NET 4.0 e possui código aberto sob licença Apache 2.0. A .NET Bio fornece vários componentes uteis para a análise biológica como parsers para leitura e escrita de formatos comuns em bioinformática, suporte a sequências de DNA, RNA e Proteínas, conector web para integração com web services.

O usuário pode inserir a sequência diretamente no campo indicado ou então carrega-la de um arquivo. Ao clicar no botão que realiza a transcrição/tradução a sequência de DNA será apresentada ao usuário, podendo o mesmo identificar as proteínas utilizando a códon table.

Figura2: Transcrição de um sequência de RNA

Figura3: Códon Table

O módulo III dispõem de uma integração ao

BLAST onde será possível ao aluno, por meio de uma interface simples, a consulta de sequências genéticas no banco de dados do NCBI. O NBCI (Centro Nacional para Informação Biotecnológica dos EUA) é o banco de dados central sobre informações genômicas [10]. Existem outros bancos de dados importantes como o EMBL da Europa e o DDBJ do Japão, mas todos trocam dados em um intervalo de 24 horas com o NCBI. O NCBI possui vários bancos de dados, dentre eles o mais importante é o GenBank que armazena todas sequencias de DNA disponíveis, seja um genoma completo ou contigs. Para realizar o acesso e pesquisas nestes bancos de dados como os do NCBI foi implementado uma conexão com a ferramenta Blast, onde é possível executar consultas em qualquer um destes bancos. No site do NCBI existe um menu para acesso a ferramenta e a pesquisa de sequências no banco de dados, porém todo o conteúdo encontra-se na língua inglesa e a interface é bastante complexa para usuários comuns. Por isso, neste módulo do sistema, por meio da utilização do framework web da .NET Bio, foi realizada a integração com a ferramenta Blast [11].

O usuário pode executar sua pesquisa em banco de dados de nucleotídeos e proteínas. Após definir o tipo de sequência que deseja pesquisar, deve inserir uma sequência válida e clicar no botão que executa a pesquisa.

Figura 4: Consulta de uma sequência em uma base de proteínas

As informações sobre o acesso do usuário no sistema e especificamente em cada módulo são registradas no banco. O registro dessas informações possibilita a geração de relatórios. A aplicação dispõe de uma página para que o professor acompanhe as informações de acesso do aluno no sistema. Por isso,

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somente ao usuário da categoria professor é possível o verificar o tempo de acesso de cada usuário, na ultima semana, desde o primeiro acesso e o histórico de logs do mesmo nos últimos 10 dias.

Figura 5: Emissão de relatório sobre acesso do usuário

CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao observar o cenário da informática na

sociedade moderna, fica evidente sua grande influência e contribuição para realização de diversas tarefas, inclusive no âmbito educacional e científico. Devido a este avanço, algumas áreas se destacaram e obtiveram conquistas jamais alcançadas sem a contribuição da computação, podendo-se destacar a área da bioinformática.

No caso específico do ensino de biologia nas

escolas, pode-se observar – por meio de reflexões e análises de especialistas da área- que nem sempre se utiliza de recursos diferenciados para o ensino da disciplina, apesar de considerarem campo fértil para a criatividade e inovação. Isto também foi observado por meio das entrevistas não diretivas realizadas com professores da disciplina de biologia molecular do IFSULDEMINAS- Câmpus Machado e alunos. Segundo os mesmos, não se dispunha de ferramentas que pudessem tornar o ensino de biologia molecular e genética, menos abstrato e mais atraente aos alunos, e estes consideravam difícil o aprendizado dos conteúdos.

A criação de um sistema web para apoio ao ensino de biologia molecular e genética buscou contribuir com o aprendizado dos conteúdos destas disciplinas. Evidentemente que a utilização da ferramenta deve ser previamente planejada e inserida num contexto didático-pedagógico.

AGRADECIMENTOS Ao IFSULDEMINAS - Campus Machado

juntamente com a Pró Reitoria de Pesquisa, Pós Graduação e Inovação pelo apoio e incentivo que tem prestado as produções científicas, incluindo esta.

Ao Prof. Me. Matheus Eloy Franco, pela orientação e expressiva contribuição que dispensou neste trabalho.

REFERÊNCIAS

[1] VALENTE, José Armando. O Computador na Sociedade do Conhecimento. Campinas: Unicamp, 1999. 156 p. [2] LEPIENSKI, Luis Marcos & PINHO, Kátia E. Prus. Recursos didáticos no ensino de biologia e ciências. Disponível em <http://www.diadiaeducacao.pr.gov.br/portals/pde/arquivos/400-2.pdf>. Acesso em 19 abr. 2013. [3] OUZOUNIS, Christos A.; VALENCIA , Alfonso. Early bioinformatics: the birth of a discipline a personal view. Bioinformatics 19(17). Oxford University Press: 2003 [4] GIL, Antônio Carlos. Como elaborar projetos de pesquisa. São Paulo: Atlas, 2002, 4ª edição. [5] VEIGA,I. Didática: Uma retrospectiva histórica. En:I.Veiga (Ed.), Repensando a Didática(pp. 82-95). Campinas: Papirus. [6] Lepienski, Luis Marcos & Pinho, Kátia E. Prus. Recursos didáticos no ensino de biologia e ciências. Disponível em <http://www.diadiaeducacao.pr.gov.br/portals/pde/arquivos/400-2.pdf>. Acesso em 19 abr. 2013. [7] KRASILCHIK, Myriam. Prática de ensino de biologia.São Paulo, Editora da Universidade de São Paulo, 2011. [8] .NETBIO Framework Overview. Disponível em:<http://bio.codeplex.com/releases/view/81464.> Acesso 06 em Abr. 2012. [9] Mysql 5.6 Reference Manual. Disponível em< http://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/en/>. Acesso 10 em Mai. 2012. [10] About NCBI. Disponível em < http://www.ncbi.nlm.nih.gov/About/index.html>. Acesso em 10 mar. 2012. [11] SANTOS, Fabrício & ORTEGA, José Miguel. Bioinformática aplicada a genômica.Disponível em <http://www.icb.ufmg.br/lbem/aulas/grad/tge/bioinfo/bioinfogenomica.pdf>. Acesso em 15 out. 2012.

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