Estudos de Caso: Laboratórios virtuais versus laboratórios reais

1. Laboratórios virtuais versus laboratórios reais na educação da ciência da vida: Conceitos e experiências

Hans A. Braun - braun@mailer.uni-marburg.de
Instituto de Fisiologia, University of Marburg, Alemanha

Este relatório é baseado em muitos semestres de experiência de ensino tanto com laboratórios 'reais' quanto 'virtuais' em cursos práticos para estudantes de medicina e biologia humana na Universidade de Marburg. Quando protestos massivos de estudantes, no início da década de 1990, nos conduziram a parar com a utilização de preparações animais em cursos práticos, experimentos clássicos como os realizados com o nervo ciático de sapos, entre outros, considerados de alto valor educacional, foram eliminados. Em nossa busca por alternativas criamos realizações virtuais dos experimentos originais. Estes são os programas de computador SimNerv, SimMuscle, SimVessel, SimHeart e SimPatch, também chamados de série de Fisiologia Virtual. Os programas são distribuídos pela editora Thieme Publ., Stuttgart / Nova Iorque e têm sido regularmente utilizados não somente em Marburg mas também em centenas de universidade e faculdades de medicina, biologia e outras áreas relacionadas ao redor do mundo. Eles são utilizados em aulas, seminários e - de maneira mais abrangente - em cursos práticos, e freqüentemente substituem os experimentos originais que utilizavam preparações animais.

Este relatório também considera comentários de outros colegas com base de ensino similar, assim como a avaliação de estudantes quanto aos laboratórios virtuais, especificamente que se referem a uma avaliação do SimNerv realizada através de um minucioso questionário. Como um dos criadores da série Fisiologia Virtual, também darei algumas informações básicas sobre a história desse programa e explicarei como eles refletem nossa filosofia principal - de que os pacotes de software educacionais põem e devem ser mais do que simples livros com animação. Também descreverei a nova série de laboratórios virtuais baseados em computador chamados de cLabs. Mais informações detalhadas estão disponíveis na nossa página na internet www.cLabs.de, com acesso livre a diversos applets do nosso recém liberado cLabs-Neuron.

A história da série Fisiologia Virtual

O nosso primeiro programa de ensino, SimNerv (originalmente chamado de MacFrog), foi desenvolvido na metade da década de 1990. Nessa época, a faculdade de medicina em Marburg já tinha interrompido a utilização de preparações animais nos cursos de fisiologia. Isso foi conseqüência dos protestos massivos, e por vezes agressivos, dos estudantes contrários a utilização animal que finalmente tornaram impossível o ensino regular com preparação animal. Na nossa faculdade eu talvez tenha sido mais fortemente exposto ao protesto estudantil porque lecionava nos dois cursos remanescentes que utilizavam a preparação animal - os clássicos experimentos com nervos e músculos do sapo. Eu fui um defensor ferrenho desses experimentos por considerá-los os melhores exemplos para o efetivo aprendizado prático orientado.

Nós, entretanto, buscamos por alternativas e verificamos que elas não existiam. Mas logo reconhecemos que o rápido desenvolvimento das técnicas de computação poderiam fornecer a oportunidade de concepção de um laboratório virtual onde os estudantes pudessem realizar experimentos similares aos realizados nos laboratórios reais. Essas idéias foram percebidas com a colaboração do nosso então estudante Martin Hirsch, um perito em elaboração multimídia, e de Martin Huber, um especialista em modelagem em computador para neurodinâmicas. Tratava-se de uma iniciativa particular, mas que contava com o apoio do diretor da nossa instituição, Karlheinz Voigt, e através disso desenvolvemos o nosso primeiro laboratório virtual, o MacFrog, o qual, posteriormente, devido a série Fisiologia Virtual, foi renomeado como SimNerv. A cobertura dada pela imprensa através de diversas mídias (jornais, TV) conduziu o programa ao patrocínio externo através da Apple Computers e da HMWK (Hessian State Ministry of Science and Arts).

O programa recebeu premiações praticamente desde seu início. Em 1994, o MacFrog recebeu o prêmio de Melhor Software Alemão/Austríaco de Ensino de Biologia e Medicina, o de Melhor Aplicação Multimídia e o prêmio dos Editores da MacWorld como Tendência em Software Multimídia. Com essa base recebemos, através de um contrato com a editora Thieme Publishers (Stuttgart / New York), uma doação substancial do Ministério Alemão da Educação e Ciência. Esse apoio permitiu-nos a conclusão do SimNerv para distribuição pública e para o desenvolvimento de outros três programas: o SimMuscle, SimVessel e SimHeart.

Estes programas juntos reproduzem com exatidão os experimentos que eram realizados anteriormente com preparações animais em cursos integrados de fisiologia/farmacologia para estudantes de medicina em Marburg. Um quinto e último programa, o SimPatch, foi adicionado por Horst Schneider e Martin Hirsch, e com isso completando a série Fisiologia Virtual.

Martin Hirsch é atualmente o proprietário de uma empresa multimídia bem-sucedida (iAS, Marburg/ Berlin, veja www.brainmedia.de). Martin Huber está dando continuidade a seus estudos de modelagem em computação científica no Departamento de Psiquiatria e Psicoterapia, ainda em próxima cooperação conosco. Horst Schneider trocou a universidade pela indústria, mas recentemente retornou ao nosso grupo e tem contribuído para a nossa nova série de softwares para ensino intitulado cLabs.

Bases e conceitos dos laboratórios virtuais

O desenvolvimento dos nossos laboratórios virtuais via computador foi orientado pelos mesmos critérios que inicialmente me conduziram a defender os experimentos 'reais'. Os critérios estão relacionados ao alto impacto no ensino de cursos práticos, os quais podem ser atingidos quando estudantes bem preparados realizam os experimentos por si mesmos. Os pré-requisitos são a compreensão dos estudantes quanto as montagens experimentais, ou seja, eles não têm que lidar com dispositivos supercomplicados e as tarefas fisiológicas são de prática orientada, mas proximamente relacionadas ao conhecimento teórico. A situação ideal seria a de 'aprender fazendo', com a livre experimentação pelos estudantes.

Então, elaboramos uma interface de fácil utilização onde laboratórios totalmente equipados aparecem na tela do computador e onde todos os conjuntos de instrumentos são livremente ajustáveis através de um 'click no mouse'. Em paralelo, desenvolvemos algoritmos matemáticos para o coração do programa, o qual, de acordo com o conjunto de dispositivos selecionado, reproduz reações realísticas provenientes das preparações. Além disso, utilizamos variáveis aleatórias computadas para a variabilidade natural das preparações, as quais também têm a vantagem de que nenhum estudante terá a mesma preparação ou os mesmos resultados que seu colega. Desta forma chegamos bem perto da situação que ocorre nos laboratórios reais, e, além do mais, pudemos tirar vantagem de algumas características específicas do mundo virtual, conforme mencionado abaixo.

Os programas permitem que os estudantes executem experimentos em diferentes níveis de complexidade. Há a situação experimental, a qual é relativamente fácil de captar - por exemplo, quando os estudantes têm de reproduzir ilustrações clássicas de textos como a isotonia e isometria máxima das contrações musculares.

A idéia é que os estudantes que forem bem-sucedidos por si mesmos nunca mais terão problemas para compreender características biológicas básicas. Eles também terão bastante prática quanto as habilidades de procedimento. Somando a isso, como um aspecto mais geral, os estudantes aprenderão (as vezes da maneira mais difícil) que a experimentação bem-sucedida requer um profundo conhecimento teórico. Eles verão que a teoria é necessária para a coleta sistemática de dados para a resolução de problemas, assim como para a análise crítica e qualificada dos dados e apresentação apropriada dos resultados. Ela também é necessária para a correta interpretação do experimento em si. Por exemplo, interpretações da maioria dos registros no experimento relacionado ao nervo requerem conhecimento teórico sobre os íons, o que significa que os estudantes, em uma tarefa mais complexa, terão que reunir conhecimento de níveis fisiológicos bem diferentes.

Esses objetivos de ensino vão muito além do aprendizado e da reprodução factual de um livro. Aqui, os estudantes aprendem como fazer uso de seu conhecimento e isso é certamente relacionado de forma mais próxima aos problemas que eles terão que encarar em suas carreiras - por exemplo, como um médico que tem que decidir sobre o tratamento apropriado de um paciente baseado na inspeção sistemática e na correção do diagnóstico. Vale a pena notar que esta é exatamente a área do 'Programa Internacional para Avaliação de Estudantes' (PISA) que somente recentemente detectou as maiores deficiências educacionais na Alemanha e em nível internacional.

O ensino de experiências com laboratórios reais e virtuais

O principal argumento contra os laboratórios virtuais é o de que geralmente os estudantes não podem praticar a preparação de tecido biológico vivo através do 'click no mouse' do computador. De fato, este objetivo não pode ser atingido nem mesmo com a melhor simulação realizada em computador. Quando este é o objetivo do curso, os experimentos necessariamente têm que ser realizados com preparações animais. Entretanto, a questão principal é sobre até onde é justificável praticar essas habilidades específicas nos cursos regulares de biologia, fisiologia e farmacologia ou qualquer outro curso de nível superior.

A resposta depende essencialmente da necessidade e eficiência de tal treinamento. Eu mesmo freqüentemente argumentei que pelo menos os estudantes de medicina, antes de tratarem de pacientes, deveriam adquirir conhecimento sobre quão sensíveis são as reações dos tecidos vivos e quão facilmente o funcionamento apropriado pode ser destruído devido ao manuseio incorreto. Mas eu não tenho mais tanta certeza quanto a esses argumentos, pois os médicos estão se tornando cada vez mais especializados e aqueles que realizarão operações serão treinados, de qualquer maneira, a esse respeito. A eficiência também é questionável, especialmente em relação à situação real da nossa universidade, onde atualmente temos dezesseis estudantes em um grupo prático, comparados com cerca de 6 a 8 quando realizei pela última vez experimentos com preparação animal em um laboratório estudantil.

É difícil realizar esse tipo de trabalho com um grupo de dezesseis estudantes inexperientes. De fato, sei de diversos departamentos onde os estudantes recebem tecidos previamente preparados por seus tutores. Portanto, muitos cursos que envolvem a utilização de tecido animal não incluem, de fato, a preparação dos tecidos pelos estudantes. Os experimentos que seguem a preparação, entretanto, podem ser melhor realizados no laboratório virtual. A seguir, ilustrarei este fato referindo-me especificamente as nossas próprias experiências, assim como as de outros, com a utilização do SimNerv, pois este é o programa que tem sido utilizado há mais tempo e sobre o qual dispomos de uma avaliação recente e detalhada realizada por estudantes.

Quando introduzimos o SimNerv/MacFrog no curso regular de fisiologia não tivemos tempo de escrever previamente as instruções. Nós utilizamos as instruções e o formulário do protocolo que haviam sido deixados pelos cursos anteriores que utilizavam a preparação animal. Sem quaisquer dificuldades, os estudantes seguiram as mesmas instruções e fizeram exatamente os mesmos experimentos que os estudantes anteriores realizaram com um nervo real - e foram ainda mais bem sucedidos. Isso ilustra quão próxima esta simulação está de um laboratório real, algo que foi confirmado por muitos outros grupos ("Esta simulação permite aos estudantes experimentar virtualmente qualquer coisa que veriam no nervo real"). De fato, há várias instituições onde eu sei que os professores originalmente queriam utilizar o programa SimNerv como uma forma de introdução aos experimentos reais, mas que depois decidiram que "a atividade posterior seria desnecessária" (citações extraídas a partir de um relatório do Dr. Wilson, da Miami University, Oxford, Ohio).

De qualquer forma, com o passar do tempo, observamos que estávamos, de fato, fazendo um trabalho melhor com a preparação virtual do que com a real. Nós compreendemos - reconhecidamente somente a partir da nossa nova experiência nos laboratórios virtuais - que era ilusão que os estudantes estivessem realizando seus próprios experimentos no laboratório animal. Eles sempre seguiram rigorosamente as instruções e toda vez que algo tinha que ser mudado eles precisavam consultar os tutores se os ajustes estavam corretos antes de darem continuidade aos experimentos. A razão para isso é óbvia. Os estudantes estavam temerosos que ajustes errados pudessem destruir a preparação e que como conseqüência eles pudessem ficar sem o certificado ou tivessem que matar outro animal (o que nós, por sinal, jamais permitiríamos).

Então fomos inesperadamente confrontados com estudantes surpreendentemente ativos nos laboratórios virtuais os quais, passo a passo, conduziram-nos a modificação das instruções. Especificamente, tarefas foram incluídas de forma a que nem todos os detalhes fossem explicados, deixando espaço para que o estudante investigasse. Alguns desses experimentos teriam sido bem difíceis de serem executados no laboratório real, mas são, particularmente, de alto valor didático. Por exemplo, no experimento com o nervo real é quase impossível bloquear a condução do nervo ou até mesmo mudar as posições dos eletrodos de estímulo e registro sem que mudanças imprevisíveis ocorram. Isto pode ser facilmente feito no laboratório virtual. Assim, pedimos aos estudantes que induzissem uma corrente elétrica monofásica-bifásica ou ações potenciais invertidas, ou que descubram qual eletrodo está conectado ao emissor de estímulos negativo ou positivo ou ao receptor de inversão ou de não-inversão do amplificador diferencial, respectivamente. Quando os estudantes conseguem responder perguntas como estas através de suas próprias experimentações eles então compreenderam muitas coisas sobre a geração e gravação de ações potenciais compostas e, de forma mais geral, devem ter visto que os ajustes experimentais podem interferir profundamente com o resultado de um experimento.

Como outro exemplo, no SimHeart encorajamos os estudantes a examinar a atividade cardíaca em seu limite, além dos experimentos tipo padrão. Nós os deixamos induzir e comparar interrupções cardíacas na pressão sistólica e diastólica, ou pedimos que apliquem glicosídeos em um coração anteriormente pré-ativado para observação não somente dos efeitos positivos das substâncias terapêuticas, mas também de seu potencial de envenenamento. Nós acreditamos que os estudantes podem aprender muito através de tais situações extremas de contrações do coração as quais, em laboratórios reais, são principalmente evitadas devido ao fato de nunca se ter certeza se haverá recuperação.

Então, a experimentação no laboratório virtual é mais rica e os estudantes são mais ativos. Esta é a minha impressão e de alguns outros tutores de que o ensino não se tornou pior, mas sim mais efetivo. Não há estudantes frustrados devido às preparações ou ao instrumental que por vezes falha. Eles não estão confusos por instrumentos que possuem controle extra nos quais não podem tocar. Solicitações de ajuda aos tutores são menos numerosas e a própria iniciativa do estudante está claramente aprimorada. Por último, porém não menos importante, a experimentação e o aprendizado não sofrem devido as emoções negativas causadas pela utilização de animais assassinados.

É claro, ainda existem professores que definitivamente querem manter a 'experimentação animal' nos cursos de biologia e fisiologia. Nossos programas parecem ser perigosos de acordo com a concepção deles. Isso poderia explicar parcialmente as curiosas críticas, principalmente de colegas alemães, de que os programas são "piores do que a televisão", "brinquedos", ou "tamagotchies". Tais comentários (R. Klinke, H. Wiese em Uni- Spiegel 2/2001), entretanto, tratam-se de exceções. A maioria das notícias publicadas em jornais e tablóides alemães, especialmente aqueles com elevada reputação, parabenizam nossos programas e enfatizam, por exemplo, que "os autores, sem sombra de dúvida, realizaram um excelente trabalho" (Frankfurter Allgemeine Zeitung, FAZ, 22.07.98), ou, mais recentemente, que esses programas "são mais instrutivos do que os experimentos clássicos" (Zeitpunkte 1, 2001) e "estabeleceram padrões internacionais para os softwares de ensino de alta qualidade" (Die Zeit, 28.12.00).

Estas críticas positivas quanto aos nossos programas foram recentemente confirmadas através de uma avaliação do SimNerv através por via de um questionário que foi respondido anonimamente por 155 estudantes de medicina no nosso curso regular de fisiologia. Questões relacionadas a fácil utilização revelaram que não há dificuldades associadas à utilização do dispositivo virtual. Os estudantes sentiram que o SimNerv os ajudou a aumentar sua compreensão quanto a fisiologia do nervo e a maioria assumiu que pode ter aprendido mais do que através de um experimento real. Uma vez que o experimento com o SimNerv aconteceu próximo ao final do curso, quando os estudantes já tinham feito a maioria dos demais experimentos, também solicitamos que comparassem o SimNerv com outros experimentos de treinamento e isso também nos deu um excelente resultado positivo (>80%). Isto é até mais extraordinário se considerarmos que a fisiologia do nervo geralmente não pertence à lista de assuntos favoritos dos estudantes de medicina e que o SimNerv teve que competir com exercícios clinicamente muito importantes (EEG, ECG, análise do plasma sanguíneo etc.) realizado em laboratórios muito bem equipados.

Também se solicitou aos estudantes se consideravam as simulações em multimídia tão válidas quanto os experimentos reais. Esta questão foi apresentada previamente a utilização do SimNerv, revelando principalmente uma opinião positiva quanto as simulações por computador. Quando os estudantes foram novamente questionados sobre esse tema, porém após a utilização do SimNerv, houve um adicional de significância estatística alta de deslocamento para valores mais positivos. Portanto, não é surpresa que os estudantes demonstraram interesse quanto ao desenvolvimento e utilização de programas adicionais de simulação.

A situação atual e os planos futuros: o conceito de cLabs

Nosso trabalho atual continua centrado no desenvolvimento de uma série avançada de laboratórios virtuais por computador, chamados de cLabs, os quais expandem o conceito de Fisiologia Virtual quanto a diversos aspectos.

Primeiramente, os programas cLabs facilitarão a própria experimentação dos estudantes e portanto também incluirão animações mais simples e simulações para a preparação de um passo a passo para experimentos mais complexos em laboratórios virtuais. Para um de nossos programas, o cLabs-Neuron, parte desses applets já estão rodando na nossa página na internet (www.cLabs.de). Os outros programas, como o cLabs-SkinSenses, serão brevemente colocados à disposição e iremos desenvolver recursos similares também para a série de Fisiologia Virtual.

A série cLabs também inclui experimentos os quais, como o SimPatch, são muito difíceis de serem executados no curso do trabalho do estudante, mas que podem ser compreendidos in silico. Este é o caso do cLabs-Neuron, que fornece laboratórios virtuais para o registro de canais de íon e experimentos de clamp de alta voltagem/corrente, assim como para os cLabs-SkinSenses que simulam os registros de fibras individuais a partir de aferentes mecânicos e termo sensíveis da pele.

Além disso, nossa abordagem principal com a utilização das simulações matemáticas, incluindo componentes aleatórios, encaixa-se perfeitamente com a idéia de uma avançada 'Universidade Virtual' devido à possibilidade de controle de experimentos individuais pelos próprios estudantes, assim como pelos tutores - e também via internet. Por exemplo, sempre que um usuário abre um de nossos laboratórios virtuais ela/ela encontrará suas preparações pessoais. De qualquer forma, o que para o usuário aparece como uma variabilidade principalmente imprevisível, está matematicamente definido. Isto torna possível o desenvolvimento de um software de controle para verificação imediata dos resultados individuais. Aqui utilizamos as soluções mais promissoras para o desenvolvimento de software de ensino altamente efetivo.

Infelizmente, essa não foi a opinião de alguns peritos anônimos. Através de uma ampla iniciativa, o Ministério Alemão da Educação e Ciência gastou cerca de US$100 milhões para o desenvolvimento de um novo software de ensino, mas recusaram qualquer suporte de nossa parte embora ainda sejamos o único grupo alemão com software de ensino de reputação internacional, pelo menos até onde temos conhecimento, dentro dos campos da biologia e medicina.

Estamos dando continuidade aos nossos esforços e temos obtido um certo sucesso com o apoio da 'transMIT', Giessen. Nós, inclusive, já apresentamos partes dos programas do cLabs com grande sucesso em conferências internacionais como a Reunião sobre Neurociência de 2001, realizada em San Diego. As datas das próximas exposições estão disponíveis na nossa página em www.cLabs.de. Para acelerar o progresso e concretizar nossos planos com o software de controle integrado, ficaríamos satisfeitos em estudar uma potencial cooperação. Estamos confiantes que estes programas, até mais que a série Fisiologia Virtual, encontrarão centenas de instituições interessadas envolvendo milhares de estudantes por todo o mundo.