Subspace-based techniques and applications

Este trabalho focou-se no estudo de técnicas de sub-espaço tendo em vista as aplicações seguintes: eliminação de ruído em séries temporais e extracção de características para problemas de classificação supervisionada. Foram estudadas as vertentes lineares e não-lineares das referidas técnicas tendo como ponto de partida os algoritmos SSA e KPCA. No trabalho apresentam-se propostas para optimizar os algoritmos, bem como uma descrição dos mesmos numa abordagem diferente daquela que é feita na literatura. Em qualquer das vertentes, linear ou não-linear, os métodos são apresentados utilizando uma formulação algébrica consistente. O modelo de subespaço é obtido calculando a decomposição em valores e vectores próprios das matrizes de kernel ou de correlação/covariância calculadas com um conjunto de dados multidimensional. A complexidade das técnicas não lineares de subespaço é discutida, nomeadamente, o problema da pre-imagem e a decomposição em valores e vectores próprios de matrizes de dimensão elevada. Diferentes algoritmos de préimagem são apresentados bem como propostas alternativas para a sua optimização. A decomposição em vectores próprios da matriz de kernel baseada em aproximações low-rank da matriz conduz a um algoritmo mais eficiente- o Greedy KPCA. Os algoritmos são aplicados a sinais artificiais de modo a estudar a influência dos vários parâmetros na sua performance. Para além disso, a exploração destas técnicas é extendida à eliminação de artefactos em séries temporais biomédicas univariáveis, nomeadamente, sinais EEG.

Recursos digitais promotores de pensamento crítico em ciências no 1º ciclo

A sociedade em que vivemos hoje encontra-se submersa pela tecnologia em todas as áreas e saberes, exigindo-se aos cidadãos a capacidade de pensar e agir racionalmente perante os desafios e problemas que vão surgindo ao longo da vida. As tecnologias da informação e comunicação (TIC) são uma presença evidente no quotidiano e diversas investigações e estudos têm vindo a enfatizar o seu potencial no processo de ensino-aprendizagem. Ademais, face aos desafios científicos e tecnológicos da nossa sociedade, é fundamental formar-se cidadãos capazes de pensar criticamente e racionalmente, de tomarem decisões focadas no que se deve fazer ou acreditar. Assim, reconhecendo a importância de se promover o pensamento crítico (PC) recorrendo-se às TIC, desenvolveu-se a presente investigação com o intuito de promover o PC dos alunos, através da exploração de diversos recursos digitais já disponíveis gratuitamente na internet. Decorrente da finalidade apresentada formularam-se as seguintes questões de estudo: (i) Quais os contributos dos recursos digitais explicitamente promotores de pensamento crítico dos alunos do 3.º ano de escolaridade?; e (ii) Quais os contributos dos recursos digitais explicitamente promotores de pensamento crítico para a construção de conhecimentos científicos, na área das Ciências, dos alunos do 3.º ano de escolaridade?. A presente investigação desenvolveu-se de acordo com um paradigma sócio-crítico, segundo uma perspetiva metodológica predominantemente qualitativa e com base num plano de Investigação-Ação. A implementação das três atividades construídas, incluindo a exploração dos recursos digitais, decorreu numa turma de 26 alunos inseridos num colégio do distrito de Aveiro, no qual se realizou a Prática Pedagógica Supervisionada da professora investigadora. Para a recolha dos dados utilizaram-se diversos instrumentos, nomeadamente testes de levantamento inicial e final das capacidades de PC, listas de verificação, diário do investigador, fichas de trabalho resolvidas pelos alunos (tendo por base a Taxonomia de Ennis) e questionários de autoavaliação do desempenho dos mesmos. Na análise de dados, privilegiou-se a análise de conteúdo recorrendo-se ao software WebQDA. Com base nos instrumentos de recolha de dados referidos verificou-se que os alunos manifestaram uma maior facilidade a responder a questões que promoviam o uso de capacidades de PC referentes à Clarificação Elementar e à Indução e uma dificuldade acentuada na dimensão das Estratégias e Táticas. No que diz respeito à construção de conhecimentos científicos, os alunos demonstraram, principalmente, dificuldades em reconhecer que o movimento é impulsionado pelas rodas dentadas e a constatar que o tamanho do fio influencia a velocidade do pêndulo. Pode-se concluir que os recursos digitais, de um modo geral, contribuíram para mobilizar o potencial de capacidades de PC e para a construção de conhecimentos científicos. O contributo deste estudo, embora modesto, prende-se com o potencial das TIC na Educação em Ciências dos 1º CEB, na promoção do pensamento crítico e de conhecimentos.

Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Metodologia híbrida de desenvolvimento centrado no utilizador: aplicada ao software educativo

No panorama atual do desenvolvimento de software educativo é importante que os processos de desenvolvimento sejam adequados e compatíveis com o contexto em que serão utilizados este tipo de recursos. Desta forma, é importante melhorar continuamente os processos de desenvolvimento bem como se proceder à avaliação de forma a garantir a sua qualidade e viabilidade económica. Este estudo propõe uma Metodologia Híbrida de Desenvolvimento Centrado no Utilizador (MHDCU) aplicada ao software educativo. Trata-se de um processo de desenvolvimento simples, iterativo e incremental que tem como “alicerces” princípios do Design Centrado no Utilizador, especificados na International Organization for Standardization - ISO 13407. Na sua base encontra-se a estrutura disciplinada de processos de desenvolvimento, bem como práticas e valores dos métodos ágeis de desenvolvimento de software. O processo é constituído por 4 fases principais: planeamento (guião didático), design (storyboard), implementação e manutenção/operação. A prototipagem e a avaliação são realizadas de modo transversal a todo o processo. A metodologia foi implementada numa Pequena e Média Empresa de desenvolvimento de recursos educacionais, com o objetivo de desenvolver recursos educacionais com qualidade reconhecida e simultaneamente viáveis do ponto de vista económico. O primeiro recurso que teve por base a utilização desta metodologia foi o Courseware Sere – “O Ser Humano e os Recursos Naturais”. O trabalho seguiu uma metodologia de investigação & desenvolvimento, de natureza mista, em que se pretendeu descrever e analisar/avaliar uma metodologia de desenvolvimento de software educativo, i.e., o processo, bem como o produto final. O estudo é fundamentalmente descritivo e exploratório. A metodologia de desenvolvimento do software (primeira questão de investigação) foi proposta, essencialmente, com base na revisão integrativa da literatura da especialidade e com base nos resultados que emergiram das Fases 2 e 3. Do ponto de vista exploratório, foi avaliado, por um lado, o potencial técnico e didático da 1ª versão do software inserido no Courseware Sere (segunda questão de investigação), e, por outro lado, analisar os pontos fortes e as fragilidades da metodologia utilizada para o seu desenvolvimento (terceira questão de investigação). Como técnicas de recolha de dados recorreu-se a dois inquéritos por questionário e à observação direta participante (mediada pela plataforma moodle). Quanto às técnicas de análise de dados optou-se pela análise estatística descritiva e pela análise de conteúdo. Os resultados indicam que o recurso desenvolvido possui qualidade técnica e didática. Relativamente a análise da Metodologia Híbrida de desenvolvimento Centrado no Utilizador foram propostas algumas melhorias relacionadas com o envolvimento do utilizador e introdução de novos métodos. Apesar de identificadas algumas limitações, este projeto permitiu que a empresa melhorasse significativamente os processos de desenvolvimento de recursos (mesmo os que não são informatizados), bem como permitiu o aumento do seu portefólio com o desenvolvimento do Courseware Sere.

Novel hardware and software combination for automotive motorsport vehicles based on direct processing of graphical functions

The main motivation for the work presented here began with previously conducted experiments with a programming concept at the time named "Macro". These experiments led to the conviction that it would be possible to build a system of engine control from scratch, which could eliminate many of the current problems of engine management systems in a direct and intrinsic way. It was also hoped that it would minimize the full range of software and hardware needed to make a final and fully functional system. Initially, this paper proposes to make a comprehensive survey of the state of the art in the specific area of software and corresponding hardware of automotive tools and automotive ECUs. Problems arising from such software will be identified, and it will be clear that practically all of these problems stem directly or indirectly from the fact that we continue to make comprehensive use of extremely long and complex "tool chains". Similarly, in the hardware, it will be argued that the problems stem from the extreme complexity and inter-dependency inside processor architectures. The conclusions are presented through an extensive list of "pitfalls" which will be thoroughly enumerated, identified and characterized. Solutions will also be proposed for the various current issues and for the implementation of these same solutions. All this final work will be part of a "proof-of-concept" system called "ECU2010". The central element of this system is the before mentioned "Macro" concept, which is an graphical block representing one of many operations required in a automotive system having arithmetic, logic, filtering, integration, multiplexing functions among others. The end result of the proposed work is a single tool, fully integrated, enabling the development and management of the entire system in one simple visual interface. Part of the presented result relies on a hardware platform fully adapted to the software, as well as enabling high flexibility and scalability in addition to using exactly the same technology for ECU, data logger and peripherals alike. Current systems rely on a mostly evolutionary path, only allowing online calibration of parameters, but never the online alteration of their own automotive functionality algorithms. By contrast, the system developed and described in this thesis had the advantage of following a "clean-slate" approach, whereby everything could be rethought globally. In the end, out of all the system characteristics, "LIVE-Prototyping" is the most relevant feature, allowing the adjustment of automotive algorithms (eg. Injection, ignition, lambda control, etc.) 100% online, keeping the engine constantly working, without ever having to stop or reboot to make such changes. This consequently eliminates any "turnaround delay" typically present in current automotive systems, thereby enhancing the efficiency and handling of such systems.