Observando as dificuldades didáticas e pedagógicas que a ciência dos materiais enfrenta nos recursos que são disponíveis do domínio computacional, muitas vezes escassos, o trabalho proposto na iniciação busca estruturar uma metodologia que realize a avaliação dos métodos estereológicos existentes aplicando ferramentas virtuais que propiciam ao usuário um ambiente para investigação quantitativa.
Áreas de pesquisa: análise de microestruturas, estereologia quantitativa e visão científica de materiais.
http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-18082015-084718/en.php
Índices cristalográficos de Miller: uma proposta em educação a distância
No estudo da estrutura cristalina dos materiais, pertinente à disciplina de Ciência dos Materiais e outras afins, há uma grande dificuldade da parte de alunos em compreender como identificar pontos, direções e planos cristalográficos, segundo o padrão de notação dos conhecidos índices de Miller. Parte desta dificuldade surge da necessidade de se visualizar algo que é tridimensional em apenas duas dimensões. Para contribuir com a diminuição de tais dificuldades foi elaborado neste trabalho um curso de Educação a Distância (EaD) assíncrono, destinado a estudantes de graduação e pós-graduação, especificamente sobre a determinação dos índices cristalográficos de Miller, onde recursos de visualização tridimensional interativa foram empregados. Apenas o sistema cúbico foi contemplado nesta versão do curso. As representações tridimensionais foram criadas com o programa Wolfram Mathematica 10.1. O curso foi desenvolvido em um ambiente virtual de aprendizagem gratuito (MOODLE 2.6.4) e hospedado em um servidor específico para este fim (MCO2). Os roteiros para determinar pontos, direções e planos cristalográficos foram elaborados com o auxílio do programa Adobe Macromedia Flash 8.0. Algumas ilustrações foram criadas com o programa Solid Works. O curso contempla a interatividade através de exercícios e do chat entre os participantes. Para que haja aprimoramento contínuo, há no final um questionário destinado aos estudantes, sobre a estrutura do curso e a compreensão dos conceitos teóricos disponibilizados.
Crystallographic Miller indices: a proposal in distance education
In the study of the crystal structure of materials, pertaining to the discipline of materials science and others alike, students have been shown great difficulty on understanding how identify points, directions and plans using the standard notation with the well known Miller indices. Part of this issue arises from the need to visualize something that is three dimensional in only two dimensions. To overcome this problem a asynchronous Distance Education course was created for undergraduated and graduated students, helping them on determining crystallographic Miller indices by means of three-dimensional visualization resources. In the present version of the course only the crystal cubic system was covered. Three-dimensional representations were created using Wolfram Mathematica 10.1. The course were built in a virtual free-learning environment (MOODLE 2.6.4) and hosted in a dedicated commercial server (MCO2). For determining crystal points, directions and planes, guide instructions were worked out with the support of Adobe Macromedia Flash 8.0. Some pictures were created with Solid Works. Course interactivity is accomplished by proposed exercises and chat among the participants. For providing continuous improvement, students at the end can answer a survey about the course structure and the available theoretical concepts.
http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-14102016-141711/en.php
Crystalwalk: um software didático-interativo para síntese e visualização de estruturas cristalinas.
Este trabalho documenta o processo de desenvolvimento de um software didático-interativo para síntese e visualização de estruturas cristalinas intitulado CrystalWalk (CW). Sua criação foi justificada inicialmente pela percepção, colhida junto a atores sociais, de deficiências nas ferramentas de ensino-aprendizagem relacionadas ao estudo de estruturas cristalinas de materiais. Posteriormente, um levantamento do estado da arte dos softwares cristalográficos existentes revelou oportunidades para o desenvolvimento de um novo software com preocupação eminentemente didática. Na especificação e elaboração do CW, foram preconizados os princípios do software livre, da acessibilidade e da democratização do conhecimento. Adotou-se o estado da arte de tecnologias e serviços para desenvolvimento de aplicações web interativas, tais como plataforma HTML5/WebGL, arquiteturas orientadas a serviços (SOA) e sistemas distribuídos responsivos, resilientes e elásticos. Para facilitar o entendimento e a síntese de estruturas cristalinas, foi proposto um inédito processo passo a passo baseado no conceito “rede + motivo = estrutura cristalina”, que exige a participação ativa e consciente do usuário. Inseriu-se também uma ferramenta denominada “narrativa didática”, por meio por meio da qual o usuário registra sequências de visualização acompanhadas de anotações e que podem ser compartilhadas múltiplas narrativas permitem atender a diferentes perfis de aprendizagem. Também foram incorporadas com sucesso funcionalidades didáticas eficazes para garantir plena acessibilidade aos recursos do CW e para aumentar seu alcance social, tais como o suporte à interação avançada e às tecnologias de interface de realidade virtual, o suporte à impressão 3D e a oferta de uma plataforma de publicação online. Na avaliação dos produtos gerados, o principal critério foi o atendimento às demandas dos atores sociais, que foram empoderados ao final do processo. O CW é a primeira plataforma a superar a maioria dos problemas apontados e das limitações encontradas nos instrumentos didáticos existentes sobre a temática deste trabalho, impactando positivamente o acesso e a democratização do conhecimento, por meio da construção coletiva, do estímulo à colaboração e da autonomia e independência tecnológicas.
Crystalwalk: an educational interactive software for synthesis and visualization of crystal structures.
This work documents the process of development of an educational interactive software for synthesis and visualization of crystal structures (crystallographic software) named CrystalWalk (CW). The development of CW was justified by educational problems that were the identified and defined from direct stakeholders inquiry process about the lack of proper didatic tools for teaching crystal structure topic in materials science and engineering disciplines. Further, an evaluation of the existing crystallographic softwares has shown opportunities for the development of a new software, focused on the educational approach. The process of development and implementation of CrystalWalk was guided by principles of free software, accessibility and democratization of knowledge, adopting state of art technologies for the development of interactive web applications, such as HTML5/WebGL, service oriented architecture (SOA) and responsive, resilient and elastic distributed systems. CW proposes an unprecedented step-by-step crystal structure creation approach, imparting the concept of lattice and motif through active and conscious user interaction. Additionally, a comprehensive set of didactic functionalities was also successfully implemented, as an online content publication platform for sharing interactive crystal structures, a “didactic narratives” tool that enables users to generate interactive classes based on predefined animated sequences as well the support for advanced interaction and virtual reality technologies as Oculus Rift, Google Cardboard, LEAP Motion, multi-touch devices and 3D printing technologies. Project deliverables were evaluated under action-research premises based on identified problems resolution and overall stake-holders acquired knowledge or empowerment . CW has successfully resolved most of the identified problems identified, empowering students, professors and researchers through positive impact in the democratization of knowledge and technological autonomy and independence.
Neste trabalho se buscou criar uma base tecnológica para síntese digital e visualização virtual de microestruturas de materiais policristalinos monofásicos, visando disponibilizar software e metodologias de baixo custo aos pesquisadores da área ou de áreas correlatas. Para isso foram levantados e testados métodos, sistemas, bibliotecas e algoritmos computacionais pertinentes ao problema em questão. A técnica de síntese escolhida adotou uma simulação física de empacotamento de partículas seguida por tesselação espacial baseada no diagrama Voronoi. Para testar a abordagem uma amostra de um material real foi reconstituída digitalmente. O modelo reproduziu com grande precisão a distribuição de tamanhos de grão, o número de faces por grão e o número de vizinhos imediatos da referência. Na frente de visualização virtual buscou-se definir um modelo capaz de lidar com grandes quantidades de dados e baseado em princípios cognitivos sólidos, que permitisse maior extração de conhecimento de modelos microestruturais. A técnica de visualização em múltiplas escalas foi considerada a mais apropriada aos modelos cujos objetos e detalhes abrangem diversas escalas espaciais, permitindo ao computador lidar com vastas quantidades de dados ao alternar entre qualidade e quantidade no processo de geração de imagens. Técnicas de visualização tradicionais também foram testadas e a técnica de corte se mostrou fundamental, principalmente para a exploração direta do interior do modelo, mas também para a extração de dados voltados a análise microestrutural estereológica.
Three-dimensional modelling and visualization of digital single-phase polycrystalline materials microstructures. Master Dissertation.
The main goal of this work is to create a technological foundation for digital synthesis and virtual visualization of single-phase polycrystalline materials microstrutures, aiming to offer low cost software and methodologies to materials science researchers and alike. Several methods, applications, libraries and algorithms were tested and the most appropriate were selected for further exploration. The chosen microstructural synthesis technique uses newtonian particle packing simulation, followed by a Voronoi-based tesselation. This simple approach were put to test using a real material sample. The sample were digitally built and meaningfull parameters like grain size distribution, edges per face and mean number of neighbours were replicated with acceptable precision. Regarding visualization, the most relevant issue was the specification of a computationally scalable method based on proven cognitive principles, capable to deal with a huge amount of information and to support efficient knowledge extraction from microstructural models. The multiscale approach has proved to be the most suited for models that spans several scales in space, allowing computers to store and display large quantities of data and to manage the tradeoff between quality and quantity in the rendering process. Traditional visualization techniques were tested as well and section visualization has proved to be paramount for internal model visualization, as it is for stereological microstructural analysis.
Participe do Grupo
- Grupo dinâmico, composto por pesquisadores e profissionais jovens.
- Caracterizado por inter e multidisciplinaridade.
- Projetos inovadores e desafiadores
- O IPEN é uma instituição mundialmente respeitada.
- O IPEN está associado à Universidade de São Paulo e sua pós-graduação possui conceito CAPES 6