Modelling an e-learning environment for learning programming languages

It is widely accepted that solving programming exercises is fundamental to learn how to program. Nevertheless, solving exercises is only effective if students receive an assessment on their work. An exercise solved wrong will consolidate a false belief, and without feedback many students will not be able to overcome their difficulties. However, creating, managing and accessing a large number of exercises, covering all the points in the curricula of a programming course, in classes with large number of students, can be a daunting task without the appropriated tools working in unison. This involves a diversity of tools, from the environments where programs are coded, to automatic program evaluators providing feedback on the attempts of students, passing through the authoring, management and sequencing of programming exercises as learning objects. We believe that the integration of these tools will have a great impact in acquiring programming skills. Our research objective is to manage and coordinate a network of eLearning systems where students can solve computer programming exercises. Networks of this kind include systems such as learning management systems (LMS), evaluation engines (EE), learning objects repositories (LOR) and exercise resolution environments (ERE). Our strategy to achieve the interoperability among these tools is based on a shared definition of programming exercise as a Learning Object (LO).

A distributed system for learning programming on-line

Several Web-based on-line judges or on-line programming trainers have been developed in order to allow students to train their programming skills. However, their pedagogical functionalities in the learning of programming have not been clearly defined. EduJudge is a project which aims to integrate the “UVA On-line Judge”, an existing on-line programming trainer with an important number of problems and users, into an effective educational environment consisting of the e-learning platform Moodle and the competitive learning tool QUESTOURnament. The result is the EduJudge system which allows teachers to apply different pedagogical approaches using a proven e-learning platform, makes problems easy to search through an effective search engine, and provides an automated evaluation of the solutions submitted to these problems. The final objective is to provide new learning strategies to motivate students and present programming as an easy and attractive challenge. EduJudge has been tried and tested in three algorithms and programming courses in three different Engineering degrees. The students’ motivation and satisfaction levels were analysed alongside the effects of the EduJudge system on students’ academic outcomes. Results indicate that both students and teachers found that among other multiple benefits the EduJudge system facilitates the learning process. Furthermore, the experi- ment also showed an improvement in students’ academic outcomes. It must be noted that the students’ level of satisfaction did not depend on their computer skills or their gender.

Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

Ensemble: an innovative approach to practice computer programming

Currently, the teaching-learning process in domains, such as computer programming, is characterized by an extensive curricula and a high enrolment of students. This poses a great workload for faculty and teaching assistants responsible for the creation, delivery, and assessment of student exercises. The main goal of this chapter is to foster practice-based learning in complex domains. This objective is attained with an e-learning framework—called Ensemble—as a conceptual tool to organize and facilitate technical interoperability among services. The Ensemble framework is used on a specific domain: computer programming. Content issues are tacked with a standard format to describe programming exercises as learning objects. Communication is achieved with the extension of existing specifications for the interoperation with several systems typically found in an e-learning environment. In order to evaluate the acceptability of the proposed solution, an Ensemble instance was validated on a classroom experiment with encouraging results.

Acesso a laboratórios remotos via ambientes imersivos acesso remoto a um multímetro

Recentemente, tem-se assistido à utilização de ambientes imersivos 3D em vários domínios tais como: actividades empresariais, educativas, lúdicas, entre outras devido à expansão do Second Life. A finalidade deste conceito é oferecer aos utilizadores um acesso alternativo a valências existentes no mundo real, a partir de um computador ligado à Internet. Uma aplicação prática pode ser a sua utilização em laboratórios remotos, com a finalidade de controlar remotamente instrumentos de medição, a partir de um ambiente imersivo. Para isso, o mesmo deve permitir a construção de um laboratório virtual e respectivos instrumentos, também virtuais. Este tipo de solução é viável, devido a existirem dispositivos com interfaces de acesso remoto, e ambientes 3D desenvolvidos em linguagens de programação que possuem bibliotecas de código para protocolos de redes de computadores. A finalidade deste trabalho é desenvolver uma metodologia de acesso remoto, a instrumentos de medição em laboratórios de electricidade e electrónica, usando ambientes imersivos 3D. Como caso de estudo, o instrumento utilizado é um multímetro, controlado remotamente a partir de uma reprodução num mundo virtual, construído no ambiente 3D Open Wonderland. Nessa reprodução virtual, numa primeira fase, só serão disponibilizadas para medição, um conjunto limitado das variáveis eléctricas passíveis de medir através do multímetro seleccionado.

Ferramenta de apoio ao projeto, configuração e gestão de instalações domóticas

Esta dissertação apresenta o trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Tese / Dissertação (TEDI) do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores – Especialização em Automação e Sistemas em parceria com a empresa Live Simply, uma empresa de domótica que decidiu apostar na inovação e no desenvolvimento de serviços e produtos de valor acrescentado para consolidar a sua posição no mercado. Neste contexto, foram identificadas como mais-valias para a Live Simply a conceção, por um lado, de uma ferramenta de apoio técnico de integração e simplificação das fases de projeto, configuração e gestão de instalações domóticas e, por outro lado, de uma interface com a instalação para o cliente consultar e alterar, em tempo real, o estado dos atuadores. Depois de analisadas as tecnologias disponíveis, selecionaram-se as soluções a adotar (linguagens de programação, servidores de base de dados e ambientes de desenvolvimento), definiu-se a arquitetura do sistema, detalhando-se os módulos de projeto, configuração e gestão de instalações, a estrutura da base de dados assim como o hardware de controlo da instalação. De seguida, procedeu-se ao desenvolvimento dos módulos de software e à configuração e programação do módulo de hardware. Por último, procedeu-se a um conjunto exaustivo de testes aos diferentes módulos que demonstraram o correto funcionamento da ferramenta e a adequação das tecnologias empregues. A ferramenta de apoio técnico realizada integra as fases do projeto, configuração e gestão de instalações domóticas, permitindo melhorar o desempenho dos técnicos e a resposta aos clientes. A interface oferecida ao dono da instalação é uma interface Web de aspeto amigável e fácil utilização que permite consultar e modificar em tempo real o estado da instalação.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.

Work-in-progress on a thin IEEE1451.0 - architecture to implement reconfigurable Weblab infrastructures

Institutions have been creating their own specific weblab infrastructures. Usually, they use distinct software and hardware architectures comprehending instruments and modules (I&M) able to be parameterized but difficult to be shared. These aspects are impairing their widespread in education, since collaboration between institutions, in developing and sharing resources, is still low. To handle both aspects, this paper proposes the adoption of the IEEE1451.0 Std. with FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures. It is suggested the adoption of an IEEE1451.0 infrastructure with compatible instruments, described in Hardware Description Languages (HDL), to be reconfigured in FPGA-based boards. Besides an overview of the IEEE1451.0 Std., this paper presents a solution currently under development which seeks to enable the reconfiguration and the remote control of weblab infrastructures using a set of IEEE1451.0 HTTP commands.

Plataforma web de informação automobilística

Esta dissertação enquadra-se no âmbito dos Sistemas de Informação, em concreto, no desenvolvimento de aplicações Web, como é o caso de um website. Com a utilização em larga escala dos meios tecnológicos tem-se verificado um crescimento exponencial dos mesmos, o que se traduz na facilidade com que podem ser encontradas na Internet diversos tipos de plataformas informáticas. Além disso, hoje em dia, uma grande parte das organizações possui o seu próprio sítio na Internet, onde procede à divulgação dos seus serviços e/ou produtos. Pretende-se com esta dissertação explorar estas novas tecnologias, nomeadamente, os diagramas UML - Unified Modeling Language e a concepção de bases de dados, e posteriormente desenvolver um website. Com o desenvolvimento deste website não se propõe a criação de uma nova tecnologia, mas o uso de diversas tecnologias em conjunto com recurso às ferramentas UML. Este encontra-se organizado em três fases principais: análise de requisitos, implementação e desenho das interfaces. Na análise de requisitos efectuou-se o levantamento dos objectivos propostos para o sistema e das necessidades/requisitos necessários à sua implementação, auxiliado essencialmente pelo Diagrama de Use Cases do sistema. Na fase de implementação foram elaborados os arquivos e directórios que formam a arquitectura lógica de acordo com os modelos descritos no Diagrama de Classes e no Diagrama de Entidade-Relação. Os requisitos identificados foram analisados e usados na composição das interfaces e sistema de navegação. Por fim, na fase de desenho das interfaces foram aperfeiçoadas as interfaces desenvolvidas, com base no conceito artístico e criativo do autor. Este aperfeiçoamento vai de encontro ao gosto pessoal e tem como objectivo elaborar uma interface que possa também agradar ao maior número possível de utilizadores. Este pode ser observado na maneira como se encontram distribuídas as ligações (links) entre páginas, nos títulos, nos cabeçalhos, nas cores e animações e no seu design em geral. Para o desenvolvimento do website foram utilizadas diferentes linguagens de programação, nomeadamente a HyperText Markup Language (HTML), a Page Hypertext Preprocessor (PHP) e Javascript. A HTML foi utilizada para a disposição de todo o conteúdo visível das páginas e para definição do layout das mesmas e a PHP para executar pequenos scripts que permitem interagir com as diferentes funcionalidades do site. A linguagem Javascript foi usada para definir o design das páginas e incluir alguns efeitos visuais nas mesmas. Para a construção das páginas que compõem o website foi utilizado o software Macromedia Dreamweaver, o que simplificou a sua implementação pela facilidade com que estas podem ser construídas. Para interacção com o sistema de gestão da base de dados, o MySQL, foi utilizada a aplicação phpMyAdmin, que simplifica o acesso à base de dados, permitindo definir, manipular e consultar os seus dados.

Interface IP-KNX para um sistema de controlo domótico

São vários os factores sociais e económicos que valorizam a aplicação de tecnologias de domótica em edifícios. No caso particular dos edifícios residenciais, a tendência dos seus utilizadores é a instalação de sistemas de controlo da segurança, do ambiente, de mecanismos de rega e de alarmes. Assim, seguindo a premissa do marketing, que identifica como uma boa prática a projecção de produtos / serviços que satisfaçam as necessidades inventariadas pelos seus utilizadores, este trabalho assenta na criação de um sistema domótico, controlado remotamente através de uma aplicação Android, que pretende, numa primeira instância, o controlo das lâmpadas de uma habitação. Neste trabalho é utilizado o protocolo KNX.TP para a comunicação dos dispositivos de domótica existentes no ISEP, que constituem o ambiente domótico deste trabalho. De forma a implementar o controlo remoto destes dispositivos via internet, este trabalho foca-se no desenvolvimento de uma interface IP-KNX, usando como hardware de controlo, um Arduino Mega 2560, uma placa de interface Ethernet para Arduino, a placa de integração KNX, e um servidor web com a linguagem PHP instalada. Para efeitos de demonstração, foi criada uma aplicação para o SO Android que controla as lâmpadas da rede KNX. Neste trabalho foram utilizadas várias linguagens de programação: C++ no firmware do Arduino, PHP no servidor web e JAVA + XML na aplicação Android.

Specifying a programming exercises evaluation service on the e-Framework

The e-Framework is arguably the most prominent e-learning framework currently in use. For this reason it was selected as basis for modelling a programming exercises evaluation service. The purpose of this type of evaluator is to mark and grade exercises in computer programming courses and in programming contests. By exposing its functions as services a programming exercise evaluator is able to participate in business processes integrating different system types, such as Programming Contest Management Systems, Learning Management Systems, Integrated Development Environments and Learning Object Repositories. This paper formalizes the approaches to be used in the implementation of a programming exercise evaluator as a service on the e-Framework.

PExIL: Programming Exercises Interoperability Language

Several standards appeared in recent years to formalize the metadata of learning objects, but they are still insufficient to fully describe a specialized domain. In particular, the programming exercise domain requires interdependent resources (e.g. test cases, solution programs, exercise description) usually processed by different services in the programming exercise life-cycle. Moreover, the manual creation of these resources is time-consuming and error-prone leading to what is an obstacle to the fast development of programming exercises of good quality. This paper focuses on the definition of an XML dialect called PExIL (Programming Exercises Interoperability Language). The aim of PExIL is to consolidate all the data required in the programming exercise life-cycle, from when it is created to when it is graded, covering also the resolution, the evaluation and the feedback. We introduce the XML Schema used to formalize the relevant data of the programming exercise life-cycle. The validation of this approach is made through the evaluation of the usefulness and expressiveness of the PExIL definition. In the former we present the tools that consume the PExIL definition to automatically generate the specialized resources. In the latter we use the PExIL definition to capture all the constraints of a set of programming exercises stored in a learning objects repository.

Programming exercises evaluation systems: an interoperability survey

Learning computer programming requires solving programming exercises. In computer programming courses teachers need to assess and give feedback to a large number of exercises. These tasks are time consuming and error-prone since there are many aspects relating to good programming that should be considered. In this context automatic assessment tools can play an important role helping teachers in grading tasks as well to assist students with automatic feedback. In spite of its usefulness, these tools lack integration mechanisms with other eLearning systems such as Learning Management Systems, Learning Objects Repositories or Integrated Development Environments. In this paper we provide a survey on programming evaluation systems. The survey gathers information on interoperability features of these systems, categorizing and comparing them regarding content and communication standardization. This work may prove useful to instructors and computer science educators when they have to choose an assessment system to be integrated in their e-Learning environment.

PETCHA: a Programming Exercises Teaching Assistant

This paper presents a tool called Petcha that acts as an automated Teaching Assistant in computer programming courses. The ultimate objective of Petcha is to increase the number of programming exercises effectively solved by students. Petcha meets this objective by helping both teachers to author programming exercises and students to solve them. It also coordinates a network of heterogeneous systems, integrating automatic program evaluators, learning management systems, learning object repositories and integrated programming environments. This paper presents the concept and the design of Petcha and sets this tool in a service oriented architecture for managing learning processes based on the automatic evaluation of programming exercises. The paper presents also a case study that validates the use of Petcha and of the proposed architecture.