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|title=Realidade Aumentada no Processo de Ensino-Aprendizagem da Topografia em Projeto de Engenharia Civil(Increased Reality in the Teaching-Learning Process of Topography in Civil Engineering Project)
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==Realidade Aumentada no Processo de Ensino-Aprendizagem da Topografia em Projeto de Engenharia Civil(Increased Reality in the Teaching-Learning Process of Topography in Civil Engineering Project)==
https://ceur-ws.org/Vol-2185/CtrlE_2018_paper_78.pdf
Realidade Aumentada no Processo de Ensino-Aprendizagem
da Topografia em Projeto de Engenharia Civil
Ricardo Silva Santos1, Riclaudio Silva Santos2, Cely Martins Santos de Alencar3,
Carlos Eduardo de Sousa Macedo 3
1
Engenheiro Civil e Matemático – Universidade Tiradentes, Campus Farolândia
(UNIT) Aracaju – SE – Brasil
2
Departamento de Geografia – Universidade Federal de Sergipe, Campus Itabaiana
(UFS) Itabaiana – SE – Brasil
3
Departamento de Integração Acadêmica e Tecnológica – Engenharia Ambiental -
Universidade Federal do Ceará – Fortaleza – Brasil
@gmail.com
Resumo. O objetivo deste artigo é apresentar o desenvolvimento e aplicação da
Realidade Aumentada (AR Sandbox) através da Caixa de Areia, no processo
de ensino aprendizagem da Topografia para projetos de Engenharia Civil.
Trata-se de uma tecnologia ainda pouco explorada no território brasileiro,
onde é possível trabalhar com representações hipsométricas em 3D para
criação de modelos topográficos a partir de um sensor de movimento, um
projetor digital e um conjunto de softwares. São expostos os procedimentos de
elaboração da ferramenta, e sua aplicação na Universidade Federal de
Sergipe. Desta forma, trabalhando questões referentes à Topografia,
Geologia, Geomorfologia e demais Geociências.
Abstract. The objective of this article is to present the development and application
of the Sandbox in Augmented Reality (AR Sandbox), aiming the teaching of
Geosciences. It is a technology not yet explored in Brazil, where it is possible
to work with hypsometrics representations in 3D to create topographic models
from a motion sensor, a digital projector and a set of software. The
procedures for developing the tool and its application at the Federal
University of Sergipe. In this way, working on issues related to Cartography,
Geology, Geomorphology and other Geosciences.
1. Introdução
A Caixa de Areia em Realidade Aumentada (Augmented Reality Sandbox),
desenvolvida inicialmente em parceria pela Universidade da Califórnia, Centro de
Pesquisa Ambiental de Tahoe, e Aquário e Centro de Ciências ECHO Lake, trata-se de
uma caixa de areia (sandbox) que, aliada a um sensor de movimento, um projetor digital
e um software, geram interações por meio de Realidade Aumentada para a promoção de
estudos topográficos.
Esta ferramenta tecnológica permite que os usuários criem modelos topográficos
em uma superfície e, em tempo real, gera-se uma representação 3D hipsométrica, com
linhas de contorno topográficas e água simulada, é possível ainda gerar a simulação de
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erupções vulcânicas, inundações, etc. Adicionalmente, são fornecidas sugestões de
roteiros de aplicação como apoio ao ensino, pesquisas e uso de conceitos como relevo,
legislação, declividade, escala, entre outros.
A maior contribuição brasileira para a elaboração do projeto foi o Manual de
instalação, configuração e uso da caixa de areia de realidade aumentada (SARndbox),
Kawamoto (2016).
Na Universidade Federal de Sergipe, o projeto da Caixa de Areia em Realidade
Aumentada foi desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa em Geomorfologia do Quaternário
e Modelagem Ambiental – QUACOMA, e aplicada durante a IV SEMAC – Semana
Acadêmico-cultural da UFS, na ação de extensão Modelagem Ambiental em Realidade
Aumentada: Aplicação da Caixa de Areia, e posteriormente objetivando sua utilização
para as demais atividades acadêmicas, como disciplinas, projetos, oficinas, minicursos,
exposições em parcerias com professores da Universidade Federal do Ceará, conforme
Alencar e Freitas, 2017.
A Sandbox apresenta-se enquanto uma metodologia inovadora, com reduzidas
aplicações no território brasileiro, e com algumas experiências internacionais que
demonstram grande potencial metodológico para o ensino das ciências da terra
(geociências), e áreas interdisciplinares que trabalham com conceitos da geologia,
geomorfologia, pedologia, cartografia, sensoriamento remoto, geoprocessamento, entre
outras. O desenvolvimento desta ferramenta didática tem como objetivo proporcionar
um melhor entendimento de processos relacionados à dinâmica do relevo, permitindo a
sua representação em 3D.
Conforme o propósito do software utilizado na solução, que é o ensino e a
visualização de conceitos geográficos, geológicos, geomorfológicos, pedológicos e
hidrológicos, o público-alvo deste software é bastante vasto, incluindo: exposições
itinerantes de ciência; estudantes do Ensino Fundamental, Médio e Superior;
departamentos universitários de ciências da terra, engenharias, entre outros.
O uso das Interfaces Tangíveis é bastante convidativo na área da educação.
Muitos estudantes de ensino superior, médio e fundamental apresentam experiências
positivas ao utilizar equipamentos práticos e dinâmicos, isso induz a dizer que o
equipamento poderia ser utilizado em sala de aula, para tornar uma aula mais didática e
atrativa.
2. Materiais e Métodos
A construção da Sandbox seguiu o manual elaborado por Kawamoto (2016), com
algumas adaptações. Como os trabalhos desenvolvidos pela International Organization
for Standardization, Augmented Reality Sandbox (2009), e outras referências
encontradas em fóruns internacionais que discutem a aplicação desta ferramenta, que
forneceram informações para instalação e configuração dos softwares para o
funcionamento do projeto, além de algumas adequações à realidade dos equipamentos
disponíveis.
A Caixa de Areia em Realidade Aumentada requer para seu funcionamento, os
seguintes equipamentos: Um computador com placa gráfica dedicada (offboard),
executando Sistema Operacional Linux Mint; Um sensor de profundidade Microsoft
Kinect 1.0; O software utilizado pela ARS (Kinect 3D Video Package) é compatível
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com os três modelos da primeira geração Kinect (Kinect para a Xbox 1414, 1473 e
Kinect para Windows); Um projetor digital de dados com uma interface de vídeo
digital, como HDMI, DVI ou DisplayPort; Uma caixa de madeira com areia de forma
que seja possível instalar o sensor Kinect e o projetor acima da superfície da areia.
Para executar o software da ARS, recomenda-se utilizar um computador com
placa de vídeo offboard como, por exemplo, uma AMD/ATI Radeon ou NVidia
GeForce. O processador (CPU) do computador deve ser rápido (Intel Core i5 é
suficiente). O sistema não requer grande quantidade de memória RAM, sendo que 2 GB
são suficientes para o funcionamento. Quanto ao disco rígido (Hard Disk – HD), 20 GB
bastam para a instalação do Sistema Operacional e do software.
Embora existam relatos de execução desse sistema em Sistemas Operacionais
MacOS X, os desenvolvedores recomendam utilizar Linux por questões de estabilidade
na execução. O sistema operacional Linux Mint, versão MATE de 64-bit. O sistema da
ARS possui dois componentes principais: um renderizador do mapa topográfico – que
gera as curvas projetadas sobre a superfície da areia, e um componente responsável pela
simulação de fluxo de água ou lava vulcânica.
O primeiro componente executa com relativa facilidade em processador e placa
de vídeo de desempenho médio (mid-end) e funciona na maioria dos laptops ou PCs
disponíveis no mercado. O componente de simulação de água, por sua vez, requer
hardware de um alto desempenho (high-end), razão da recomendação de utilizar uma
placa de vídeo do tipo offboard como a Nvidia GeForce GTX 970, ou superior, capaz de
processar dados gráficos e gerar animações em tempo real.
A caixa utilizada deve ter uma proporção de 4:3, para corresponder tanto ao
campo de visão da câmera do Kinect quanto à área de cobertura do projetor. O tamanho
da caixa é limitado pelas distâncias mínimas e máximas da câmera Kinect e pela
resolução desejada. O ângulo do campo de visão da câmera do sensor Kinect é de cerca
de 90º, por isso, o sensor deve ser posicionado o mais alto possível acima da superfície
da areia, diretamente acima do centro da caixa (Figura 1).
Figura 1. Instalação da caixa de areia em relação ao projetor e o Kinect
Fonte:
https://arsandbox.ucdavis.edu/instructions/hardware-2/
584
A caixa de areia deve ser preenchida com areia a uma profundidade de cerca de
4cm a 10cm. Os desenvolvedores recomendam o uso do produto comercial Sandtastik
White Play Sand, que possui excelentes propriedades de projeção. É recomendado
manter a areia ligeiramente úmida para facilitar a criação de contornos.
O conjunto projetor e sensor devem ser posicionados acima da superfície da
areia, a altura é função da resolução, sendo indicado para o sensor um metro acima da
superfície da areia, localizando-o ao centro da caixa, o projetor com resolução de
1024x768 pixels deve ser posicionado a mesma altura, porém junto a lateral da caixa.
Idealmente, o projetor deve ter um comprimento de curta distância e uma
proporção dimensional nativa de 4:3 para coincidir com o campo de visão da câmera do
sensor Kinect. A resolução de 1024x768 pixels é suficiente, uma vez que a resolução
total do sistema é limitada pela câmera do Kinect (640x480 pixels). O projetor ideal é
do tipo “projetor de linha central”, para ser montado diretamente ao lado da câmera
Kinect. Finalmente, não é recomendado utilizar conexão analógica (VGA) entre o
projetor e o computador, pois a qualidade de imagem pode ser degradada, além de
introduzir desalinhamento entre a imagem projetada e a superfície de areia.
3. Resultados e Discussões
Com a construção e aplicação da caixa de areia de realidade aumentada foi possível
discutir e trabalhar várias questões envolvendo a geomorfologia e demais geociências.
Além da discussão envolvendo os conteúdos, os próprios alunos puderam interagir com
a caixa de areia para criar formas de relevo.
Entre as aplicações que foram desenvolvidas com esta ferramenta, podemos
destacar as seguintes.
Foram construídas na areia, diferentes formas de relevo, trabalhando conceitos
relacionados com cada forma, sua gênese e evolução. As formas de relevo construídas
foram morros, colinas, chapadas, planícies, entre outras (Figura 2).
585
Figura 2. Formas de relevo representadas na Caixa de Areia em Realidade Aumentada
Fonte:
Imagem do vídeo disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=nGitGaxCSb4
Foi trabalhada a relação da rede de drenagem, dos rios, da bacia
hidrográfica com o relevo e com o contexto de uso e ocupação, envolvendo temas
como poluição, contaminação, enchentes, mata ciliar, entre outros.
Com a criação de formas de relevo, calculamos a declividade e classificamos as
formas construídas conforme a relação proposta pela Embrapa, em relevo plano (0-3%),
suave ondulado (3-8%), ondulado (8-20%), forte ondulado (20-45%), montanhoso (45-
75%), escarpado (>75%).
Reproduzimos formas de relevo com declividades que estariam dentro dos
limites de uso conforme o Novo Código Florestal (Lei Nº 12.651/2012) estabelece. Esta
aplicação envolve temas como vertentes/encostas, uso e ocupação da terra, relação meio
ambiente com leis ambientais, deslizamentos, entre outros.
Com a observação de diversas formas de relevo, no tocante a topografia, pôde-se
observar as curvas de níveis, efetuamos simulações de situações reais tais como taludes,
cortes e aterros, foi possível ainda estudar relações de escala e cálculo de inclinação.
Todos estes detalhes, estudados de forma prática, com o estudante interagindo
diretamente com o objeto simulado.
Foram levantadas situações sobre a hidrologia, mostrando situações de formação
de corpos hídricos, demonstrando por situações práticas os cálculos de vazão, limitação
de bacias, explicando definições como talvegues, erosão, exutória, divisores de água,
entre outros. Em cursos como o de engenharia civil, estas definições e cálculos teriam
seu entendimento facilitado a partir do momento em que a teoria fosse transformada em
uma prática, onde os alunos estariam interagindo com uma representação do material de
estudo.
Essas e outras utilizações da Sandbox também podem ser encontradas no manual
da caixa de areia, Kawamoto (2016).
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Além dessas aplicações foi possível trabalhar os diferentes contextos
geomorfológicos encontrados no estado de Sergipe, partindo da depressão sertaneja,
onde foram representados os maciços cristalinos, as áreas de pedimento, vale e planície
fluvial, os inselbergs (Monadnocks). O Domo de Itabaiana, onde foram demonstradas as
serras que compõem as bordas do domo, as rampas de colúvio, áreas de pedimento, a
relação entre relevo e estrutura geológica que é tão marcante na região. E também
representações da planície costeira, discutindo processos erosivos, de variação da linha
de costa, e as fragilidades encontradas em ambientes flúvio-marinhos.
A aplicação da SARndbox atingiu um público de 237 pessoas inscritas
no evento, contando com a presença de alunos do ensino fundamental e médio da rede
de ensino estadual (Figura 3) e também de alunos do curso de Licenciatura em
Geografia, Biologia, Matemática, Física, Química e Letras, assim como da Engenharia
Civil e de Sistemas de Informação (Figura 4).
Figura 3.
Participação dos alunos da rede estadual de ensino na utilização da Caixa de Areia.
587
Figura 4. Participação dos alunos dos cursos da UFS na utilização da Caixa de Areia.
Ao poder entrar em contato com o equipamento, os alunos demonstram um
maior interesse em participar das atividades e, além disto, estes exercícios de criação do
relevo exigem do aluno o conhecimento verdadeiro das formas geomorfológicas assim
como de noções de escala para as representações. Em uma atividade escrita o aluno
escreve determinado conceito, mas as vezes não tem domínio do mesmo, o
entendimento claro do que aquele conceito representa. Ao criar a forma de relevo em
um ambiente 3D o conceito é retirado do puro abstrato e recriado em uma realidade
simulada, em outras palavras, quando o estudante sai do ambiente passivo e passa a
fazer parte integrante da construção do seu próprio saber, esse desenvolvimento ocorre
de forma mais célere e principalmente de maneira sólida.
As possibilidades para os diferentes usos da Sandbox são diversas, dependendo
apenas da criatividade e do conhecimento das formas de relevo que serão trabalhadas
dentro do entendimento de funcionamento de cada escala representativa. Podendo ser
utilizado nas diversas áreas da geociência e das engenharias, sempre de forma prática,
porém o ponto mais importante é a interatividade que a ferramenta propicia, o professor
passa de fato a ser mediador do conhecimento que o próprio aluno constrói.
Outro ponto bastante positivo é a possibilidade de representar o relevo que faz
parte da realidade do aluno, aproximando o discente do objeto de estudo, o estudante
neste ponto estuda o ambiente que ele conhece, sem necessidade de abstrair
absolutamente nada, o que resulta em melhor aprendizado.
4. Considerações Finais
A aplicação da Caixa de Areia em Realidade Aumentada mostrou bons resultados
enquanto uma metodologia de ensino para as geociências. A possibilidade de utilizar
uma ferramenta interativa, onde o próprio aluno pode construir as formas de relevo, e
visualiza-las em 3D contribui de maneira ímpar para o ensino dos temas que envolvem a
geologia, geomorfologia, pedologia, cartografia, engenharias, entre outras, tanto num
caráter próprio destas ciências como em estudos interdisciplinares podendo
correlacioná-los com tantos outros temas trabalhados em sala de aula.
Novas tecnologias estão cada vez mais presentes no cotidiano, ferramentas com
interface tangíveis estão cada vez mais deixando de ser um conceito e se tornando
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realidade e os resultados obtidos com estas ferramentas só fortalecem a ideia de levar ao
ambiente escolar, verdadeiros laboratórios, onde o aluno desenvolve seu próprio
aprendizado através da aplicação e experimento da teoria por meio da prática, tomando
o docente a posição de mediador do conhecimento, instigador do buscar, pesquisar e
experimentar.
A Caixa de Areia de Realidade Aumentada (AR Sandbox) é um exemplo de um
equipamento com diversas aplicações na docência. Sua utilização simples e agradável,
como mostra este artigo, pode trazer mais atenção a esta tecnologia que pode se tornar
um dia, parte do nosso cotidiano estudantil, não como ferramenta inovadora, mas como
ferramenta indispensável e não apenas nas universidades, mas que os discentes em seus
diferentes estágios educacionais possam sempre contar com esta e outras ferramentas
que auxiliem no desenvolvimento da educação do indivíduo e da sociedade como um
todo.
Referências
ALENCAR, C. M.S; FREITAS, B. B. Informação e Tecnologia na Engenharia
Ambiental: práticas em Sistemas de Informações Geográficas. Fortaleza, CE: Ed.
UFC, 2017. 222 p.
LONGLEY, P. A. et al. Geographic information systems and science. 3. ed. Hoboken,
NJ: Wiley, 2010. 540p.
Portal ESRI: http://training.esri.com/gateway/index.cfm
Kreylos, Oliver (2016) “Aug mented Reality Sandbox”,
http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/index.html
International Organization for Standardization (2009) “Ergonomics of human system
interaction, Part 210: Human-centered design for interactive systems (formerly
known as 13407)”, ISO 9241-210:2009,
https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:9241:-210:ed-1:v1:en
Kawamoto, André Luiz Satoshi (2016) “Manual de instalação, configuração e uso da
caixa de areia de realidade aumentada (SARndbox)”. Universidade Tecnológica
Federal do Paraná, Departamento de Ciências da Computação e Departamento
Acadêmico de Ambiental, Campo Mourão-PR.
SARndbox UTFPR (2016) “Projeto de Recursos Educacionais abertos - Elaboração de
Material de Apoio Didático Utilizando Dispositivo de Baixo Custo para Interfaces
Naturais”. Apoio: UTFPR-CM; DIRGRAD; DIREC; DIRPPG,
https://github.com/projetosar/SARndbox/blob/master/manualSarndboxUTFPRCM.p
df
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