ScientIST: Experiências no Domínio da Engenharia Biomédica Suportadas em Dispositivos Móveis, Serviços Cloud e Internet das Coisas (IoT)
29 de novembro, 2023
Boa Prática Reconhecida | Educação | 2023
Hugo Plácido da Silva e Ana Nobre Fred
Implementação da Prática
Os dispositivos móveis (ex: smartphones e/ou tablets), serviços cloud e IoT, encontram-se perfeitamente disseminados na comunidade académica. A prática ScientIST foi iniciada com a missão de explorar a utilização destas tecnologias para enriquecer a experiência de ensino, no domínio da Engenharia Biomédica. Está totalmente alinhada com o novo modelo pedagógico do IST, potenciando paradigmas de estudo autónomo e aprendizagem baseada em projetos. As principais ações centraram-se em:
- Desenvolvimento de hardware IoT específico para aplicações biomédicas[1];
- Desenvolvimento de software para aquisição, análise e processamento de biossinais[2];
- 3)Criação de conteúdos de suporte ás atividades pedagógicas[3];
- Constituição de um núcleo/grupo de alunos (em várias fases de formação) que assegure a sustentabilidade da prática[4];
- Implementação da prática nas atividades experimentais e laboratoriais de várias UCs relacionadas com instrumentação, aquisição, processamento e classificação de sinais biomédicos, estando também gradualmente a ser introduzida nas UCs de PIC 1, PIC 2, e Teses de MSc e PhD.
- Expansão da prática além do Departamento de Bioengenharia (DBE), sendo já parcialmente utilizada no Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (DEEC), e estando a ser projetada a extensão ao Departamento de Engenharia Informática (DEI).
A implementação começou no ano letivo de 19/20 com o Projeto de Inovação Pedagógica (PIP) “ScientIST”, continuando a ser adoptada e até expandida com os PIP 20/21 “ScientIST NOTES”, PIP 21/22 “ScientIST SENSE”, e PIP 22/23 “ScientIST SENSORS”.
O investimento direto do IST foi de ~€20k, complementado pelo Instituto de Telecomunicações (IT) com ~€80k. Até ao momento colaboraram ~20 pessoas.
[1] https://www.scientisst.com/sense
[2] https://sense.scientisst.com
[3] https://github.com/scientisst/notebooks
[4] https://www.linkedin.com/search/results/people/?keywords=scientisst&origin=SPELL_CHECK_REPLACE&sid=-e%2C&spellCorrectionEnabled=false
Resultados Alcançados
A prática ScientIST está em utilização regular nas UCs de: Introdução à Engenharia Biomédica (A1-P4); Fundamentos de Bioinstrumentação (A3-P1); Projeto Integrador de 1º Ciclo em Engenharia Biomédica (A3-S1 & S2); Instrumentação e Aquisição de Biosinais (A4-P3); Aprendizagem Automática em Bioengenharia (A5-P1); Projeto Integrador de 2º Ciclo em Engenharia Biomédica (A5-S1 & S2); Projeto Integrador de 2º Ciclo em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (A5-S1 & S2); Projeto Integrador de 2º Ciclo em Engenharia Eletrónica (A5-S1 & S2); Dissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica (A5-S2); Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (A5-S2); e Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrónica (A5-S2). Está também a ser utilizada em vários trabalhos atualmente em curso no Programa Doutoral em Engenharia Biomédica.
Entre as várias UCs, a prática beneficia (ou já beneficiou) mais de 400 estudantes do IST em todos os ciclos de estudo. Foi utilizada (ou está em utilização) em mais de 20 trabalhos de projeto integrador, teses de Mestrado, e teses de Doutoramento no IST. Além do DBE, a prática já foi adotada também em atividades do DEEC, estando a ser discutida a extensão a atividades do DEI, abrangendo por isso 3 departamentos a nível do IST. A Diferentes componentes da prática ScientIST já foram (ou estão a ser) adotados em atividades de 3 outras instituições de ensino superior, nomeadamente os ScientIST NOTES na Escola Superior de Tecnologia do Instituto Politécnico de Setúbal (UC de Telemedicina), e o ScientIST SENSE na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e na Faculdade de Ciência e Tecnologia da Universidade de Coimbra (em Dissertações de Mestrado e Doutoramento).
Do PIP ScientIST resultou numa publicação em revista internacional com arbitragem científica[1], tendo a mesma sido escolhida como artigo de capa do volume[2]. Foi ainda submetido um abstract relativo aos ScientISST NOTES, aceite para publicação na edição 2021 da Conferência Internacional da Sociedade Portuguesa para a Educação em Engenharia (CISPEE); a apresentação realizada na CISPEE foi distinguida com uma menção honrosa no “Best Presentation Award”. Para mais, a prática ScientIST contribuiu de forma significativa para alavancar a spin-off Binedge.ai[3], oficialmente incorporada em 2023.
De um modo geral, a prática ScientIST mostrou resultados promissores nos vários casos de uso em que foi aplicada, nomeadamente no estudo autónomo, criação de relatórios de experiências laboratoriais durante aulas, e aquisição e processamento de dados. A implementação da prática decorreu dentro do previsto, tendo inclusive excedido o plano inicial em várias das componentes, tais como o número de módulos ilustrativos, desempenho do hardware, e número de sensores disponíveis.
[1] https://www.mdpi.com/2624-6120/1/2/6
[2] https://www.mdpi.com/2624-6120/1/2
[3] https://binedge.ai/
Avaliação e Monitorização
A prática ScientIST tem sido objeto de um processo de monitorização e melhoria contínua, maioritariamente com base em inquéritos e questionários aos discentes. Para aferir a perceção quanto à componente de hardware, foi realizado um estudo piloto utilizando a System Usability Scale (SUS), na qual a pontuação geral obtida foi de 78,68%. Uma das limitações identificadas foi o desempenho da placa “off-the-shelve” Arduino MKR WIFI 1010 que adotámos inicialmente, o que motivou o desenvolvimento de raiz de uma base de hardware própria[1], conduzindo ao PIP ScientIST SENSE. Outras limitações identificadas foram o número reduzido de sensores disponíveis e a falta de uma aplicação para comunicar com o hardware diretamente a partir do computador, o que motivou a criação de software de suporte[2] e o desenvolvimento de novos sensores (PIP ScientIST SENSORS).
Relativamente aos conteúdos de suporte (PIP ScientIST NOTES), procurámos perceber a recetividade tanto do lado dos discentes como dos docentes. No caso dos discentes, foi realizado um questionário àqueles que já tinham tido contacto prévio com a prática. No caso dos docentes, foram realizadas entrevistas tanto a professores que não tivessem conhecimento do projeto como a quem já tivesse contacto com o mesmo. No que respeita à utilidade, grande parte dos alunos reconhece a importância dos recursos para compreender melhor os conteúdos lecionados nas aulas. Relativamente à organização, os alunos que conheciam a prática afirmaram gostar da sua estruturação. Mais de 80% dos alunos prefere a prática ScientIST por comparação com os métodos convencionais, sendo que 41.7% indicaram que esta preferência depende do conteúdo lecionado envolver programação.
A prática tem vindo a ser aplicada num conjunto muito diversificado de UCs. No geral, o feedback recolhido é bastante positivo; uma análise de saliência a questões abertas realizadas aos discentes sobre a sua opinião revelou como aspetos positivos a “facilidade de utilização”, “praticidade”, e “portabilidade” da prática. Para além dos conhecimentos técnicos, a metodologia ScientIST introduz os discentes a componentes práticas importantes para a sua formação, permite-lhes a aplicação dos conhecimentos adquiridos, e expõe os discentes a literatura científica e técnica relevante para a sua área de formação. Contribui ainda para o reforço das suas soft skills.
[1] https://www.scientisst.com/sense
[2] https://github.com/scientisst
Carácter Inovador e Transferibilidade
A utilização de dispositivos móveis, de que a grande maioria dos discentes e docentes dispõe (por exemplo smartphones e tablets), como uma extensão das ferramentas de ensino, é um tópico relativamente inexplorado e de carácter fortemente inovador a nível global. Para mais, a prática ScientIST deu origem a tecnologias cloud e IoT que vão além do estado da arte, tais como a plataforma ScientIST SENSE desenvolvida no IT/IST. Da combinação destas tecnologias, e tirando o maior partido de cada uma delas, está a ser possível desenvolver uma abordagem de ensino mais rica e inovadora, beneficiando da apetência crescente dos discentes para as mesmas.
Os discentes reconhecem como particularmente vantajosa e inovadora, por comparação com as abordagens clássicas utilizadas até então, a utilização de ferramentas interativas e baseadas na web como uma extensão dos recursos de ensino ao dispor do corpo docente. O hardware ScientIST SENSE constitui uma nova plataforma de hardware de baixo custo, baseada no SoC ESP32, com conectividade WiFi, Bluetooth, e BLE, frequência de amostragem superior a 4kHz (uniforme) e 8 canais com até 24-bit de resolução. Além de canais analógicos, são disponibilizados também canais digitais, nomeadamente I2C e SPI, cada vez mais utilizados, sendo o firmware reprogramável facilmente a partir do Arduíno IDE. De acordo com o nosso melhor conhecimento, esta plataforma tem características únicas a nível mundial no domínio da Engenharia Biomédica.
Como resultado do processo de avaliação e monitorização, foi possível perceber que os alunos reconhecem uma melhor compreensão dos conteúdos, e que o trabalho laboratorial se torna mais prático. Das entrevistas aos docentes, foi apontada como inovadora a integração de conteúdos diversificados, permitindo ilustrar melhor os conceitos teóricos com recurso a recursos interativos, bem como a maior liberdade para os alunos aprenderem ao seu ritmo. A prática ScientIST pode ser imediatamente transposta para outros cursos no IST (para além do DBE) e até escalada para outras universidades, tanto a nível nacional como internacional. É já utilizada em algumas atividades do DEEC, estando a ser planeada a sua introdução também no DEI. Como indicado anteriormente, partes desta prática estão a ser utilizadas também por 3 outras instituições do ensino superior nacionais.