Uma Ferramenta como Objeto de Aprendizagem para a
Disciplina de Estrutura de Dados
Anthony F. La Marca, Marcus Vinícius B. Da Silva, Windelimarcos F. De Borba Instituto Ciências Exatas e da Terra (ICET) – Universidade Federal de Mato Grosso
(UFMT) - Barra do Garças – MT.
{anthonyferreiralamarca, marcusbrito17, windelimarcos}@gmail.com Abstract. With the appearance of studies in the area of Human-Computer Interaction, were created different tools which provided users greater ease of interaction with the machines. These tools have great potential, because new technologies associated, making it viable to studies in the academic environment. Thus, the work discusses the creation of an application using the Kinect device to assist in teaching data structure. The idea of the application is to increase student interaction to / with the system through mechanisms that provide natural interaction, providing an assistance tool for teaching, in order to minimize the problems of abandonment and rejection.
Resumo. Com o surgimento de estudos na área de Interação Humano-Computador, foram criadas diversas ferramentas que proporcionavam aos usuários maior facilidade de interação com as máquinas. Tais ferramentas possuem grande potencial, devido as novas tecnologias associadas, tornando-as viáveis para os estudos no meio acadêmico. Desta forma, o trabalho aborda a criação de uma aplicação utilizando o dispositivo Kinect para auxiliar no ensino de estrutura de dados. A ideia da aplicação é aumentar a interação dos alunos para/com o sistema por meio de mecanismos que ofereçam a interação natural, proporcionando uma ferramenta de auxilio para o ensino, a fim de minimizar os problemas de desistência e reprovação.
1. Introdução
O aprendizado não é apenas em uma sala de aula com professores e livros, está em todos os momentos em que o ser humano passa por novas experiências. Em muitos casos, os métodos tradicionais não são tão eficazes, pois cada aluno possui suas próprias características, interesses, capacidades e necessidades de aprendizagem. Desta forma, faz-se necessário desenvolver um meio onde alcance o interesse de todos, para que assim, tenham um melhor aproveitamento do ensino.
Um dos grandes diferenciais observados atualmente no ensino é o de uso de tecnologias computacionais, na qual se consegue maior atenção dos alunos por oferecerem recursos que aumentem o realismo para/com o ensino. Com o avanço tecnológico, observou-se que a interação homem-máquina aumentou significativamente, proporcionando melhor interação, imersão e navegação entre o homem e sistemas computadorizados. Neste contexto, rastreadores de movimentos “casados” com aplicações de Realidade Virtual, surgiram para trazer inovações ao mundo de pesquisa e
Entre os rastreadores disponíveis, o Kinect lançado em 2010, proporcionava aos usuários um comportamento livre, sem a necessidade de controle, apenas utilizando o próprio movimento do corpo, diferentemente de outros lançamentos da época. O que este rastreador de movimento proporciona aos usuários, chamamos de Interação Natural, sendo um sistema capaz de entender ações naturais do ser humano e repassa-las em tempo real para o ambiente tridimensional, modificando-o. [Valli, 2005].
Devido ao potencial do dispositivo, foi desenvolvido uma ferramenta como alternativa no ensino da disciplina de estrutura de dados, visto que, atualmente, na Universidade Federal do Mato Grosso, campus Araguaia, o número de desistências e de reprovações de alunos é grande, conforme ilustra a Figura 1. Para minimizar o problema, a ferramenta dispõe do uso de Interação Natural através do dispositivo Kinect para tornar a criação e a manipulação das estruturas mais intuitivas e interativas. Desta forma, deseja-se utilizá-la como objeto de aprendizagem para proporcionar uma alternativa na metodologia de ensino do professor.
Figura 1 – Índice de Reprovações – UFMT [SIGA, 2014]
2. Dispositivo de Rastreamento – Kinect
É comum que o ser humano utilize o auxílio da linguagem gestual para se comunicar, por ser uma forma natural e simples. Assim, utilizar de interfaces que proveem mecanismos de interação natural (NUI) para tornar simples ações, como gestos, expressões e movimentos, em entradas de sistemas para manipula-los e receber
feedbacks em tempo real, se tornou atrativo e competitivo no mercado, devido aos
diversos dispositivos de baixo custo existentes e a disponibilização de ferramentas para desenvolvedores [Valli, 2005].
Estes dispositivos, denominados como dispositivos de rastreamentos, são utilizados para acompanhar a posição do corpo e os movimentos do usuário, assim como a posição de outros objetos por ele utilizados. Após a captação destes movimentos, eles são repassados ao mundo tridimensional modificando-o em tempo real, além do feedback para o usuário.
Um destes dispositivos é o Kinect, lançado em 2010 pela Microsoft com o objetivo de mudar a forma de interação das pessoas com os jogos, sendo uma tecnologia onde as pessoas não teriam necessidade de utilizar controle físico para jogar, mas sim, o próprio movimento do corpo.
O Kinect tornou-se uma ferramenta de grande potencial para aplicações com Interação Natural (IN) em diversas áreas. Dentre os âmbitos que o Kinect está sendo inserido, além do de jogos, há pesquisas na área de medicina, de engenharia, de segurança, e principalmente na de ensino, que é a abordagem deste trabalho [Medeiros, 2012].
3. Estrutura de Dados
O mundo computacional, desde sua criação durante a segunda guerra mundial, onde surgiram os primeiros computadores conhecidos atualmente, sofre constantes evoluções criando novas perspectivas. Como consequência dessas evoluções, a quantidade de dados a serem manipulados e armazenados teve um aumento extraordinário, tornando a eficiência de como controlá-los um fator de grande importância. Para resolver esse problema, começaram a criar novas técnicas para melhorar o aproveitamento de memória e de processamento para o controle desses dados. Essas técnicas foram chamadas de estrutura de dados, que segundo Laureano (2012), nada mais é do que formas de armazenamento utilizadas no mundo real adaptadas para o mundo computacional com a finalidade de otimizar a manipulação e o tratamento de dados eletronicamente.
Neste trabalho foram utilizadas diversas estruturas de dados: a pilha, a fila, a lista simplesmente encadeada e as árvores: binária e de múltiplos filhos (m-ária).
4. Descrição do Trabalho
A aplicação foi desenvolvida utilizando a linguagem de programação C# com o ambiente de desenvolvimento Visual Studio 2012, devido ao Software Development Kit (SDK) ter sido disponibilizado oficialmente pela fabricante (Microsoft) para este ambiente de desenvolvimento [Microsoft, 2014].
As principais tarefas do sistema são inserção e remoção de elementos nas estruturas citadas acima, além de representações gráficas e comandos via interação natural, a fim de proporcionar imersão e envolvimento com o sistema virtual.
Na interface gráfica, todo os objetos devem estar dentro da área de um componente chamado KinectRegion, para que possam ser controlados por meio de interações com o Kinect. Além da KinectRegion, o SDK fornece o KinectScrollViewers e o KinectTileButtons, que respectivamente representam as barras de rolagem e os botões, ambos acionados pelo dispositivo de rastreamento.
Dentro da área do KinectRegion, onde os objetos estão contidos, é capturado automaticamente o posicionamento de uma das mãos do usuário à frente do Kinect. Já nessa aplicação foram feitas alterações na Dynamic-Link Library (DLL) ou Biblioteca de Vínculo Dinâmico, responsável pelo fluxo de interação. Desta forma, é possível o rastreio das duas mãos do usuário simultaneamente.
A interação com um botão, ou seja, pressioná-lo é feita por meio do movimento de empurrar a mão em direção ao sensor Kinect, dando a impressão de estar realmente apertando um objeto. A KinectScrollViewer, ou barra de rolagem do Kinect, é manipulada por meio do fechamento da mão. Após fechar a mão é possível arrastar a barra na direção desejada.
Os movimentos utilizados para os comandos devem ser bem distintos, pois a precisão do Kinect não é perfeita, podendo ocorrer confusão para o sistema em definir uma pose ou um movimento.
Há diversas técnicas para a detecção de movimentos, dentre elas a de redes neurais, a de comparação de um gesto previamente armazenado e a de detecção por algoritmos especializados [Cardoso 2013].
O trabalho utilizou o algoritmo especializado chamado keyframes. O método
keyframe utiliza quadros-chaves, onde é definido valores a certos parâmetros que
variam com o tempo em cada movimento, como posição ou cor. Por meio desses valores é calculada a evolução dos parâmetros em cada quadro de imagem em um determinado tempo [Gomide et al, 2009]. Este limite entre os parâmetros do quadro inicial até o quadro no tempo final é utilizado para identificar a velocidade necessária para que o movimento seja aceito como um comando na aplicação [Cardoso 2013].
O movimento de aceno com o braço direito é responsável pela inserção nas estruturas. Esse movimento é composto por uma lista de quadros com três poses, onde é necessário que inicialmente a mão direita do usuário esteja em uma posição maior que a posição do cotovelo direito em um eixo horizontal. Na pose seguinte, a mão e o cotovelo do usuário devem estar em uma mesma posição no eixo horizontal e a mão em uma posição superior em relação ao eixo vertical. Como última pose, a mão direita deve estar em uma posição inferior com relação ao eixo horizontal, conforme ilustra a Figura 2. Já o movimento de remoção é similar, mas deve ser executado utilizando o braço esquerdo. Com relação ao movimento para retornar ao menu principal, basta posicionar os braços à frente do corpo e baixa-los.
Figura 2 – Comando de Inserção
Para realizar as operações de manipulação nas estruturas descritas no capítulo de resultados, deve-se posicionar a mão em frente ao dispositivo Kinect e direcionar o rastreador, presente no ambiente virtual, para o número que deseja selecionar e pressioná-lo, empurrando a mão em direção ao Kinect. Após compor o número, basta realizar os movimentos de inserção e remoção descritos anteriormente. Os processos de manupilação das estruturas seguem de acordo com a particularidade de cada uma.
5. Resultados
Foi obtida uma interface simples e de fácil manuseio para o usuário, por meio de interações naturais. Efetuando movimentos diante do Kinect é possível utilizar toda a funcionalidade da aplicação, dispensando a utilização de dispositivos convencionais, como mouse e teclado. A Figura 3 ilustra a interface inicial do sistema.
Na interface gráfica do menu principal é disponibilizado botões para selecionar as opções de temas disponíveis relacionados a disciplina de estrutura de dados. Dentre os temas à serem escolhidos estão a pilha, a fila, a lista e as árvores, além de estar disponível a opção de ajuda que identifica todos os comandos possíveis da aplicação e como executá-los.
Após a escolha de uma das estruturas é mostrada a sua respectiva interface. A Figura 4 apresenta as interfaces das estruturas Pilha e Fila.
Figura 4 – Estrutura Pilha e Fila
A interface da estrutura lista pode ser analisada na Figura 5. Nesta estrutura há uma representação de um ponteiro para o elemento inicial da lista, um indicando o seu elemento sucessor e um para o último elemento da lista, indicando o final da lista com um endereço nulo. Quando há uma remoção de um elemento interno, há um percurso do novo ponteiro do elemento anterior ao que será removido até o elemento posterior, além do elemento removido ficar vazio, indicando endereço nulo, conforme ilustrado na Figura 5.
Figura 5 – Estrutura Lista e Remoção
A última estrutura disponível na aplicação é a arvore binária e a de múltiplos filhos, tendo o posicionamento de seus elementos de forma análoga a ramificações de uma árvore, havendo um reposicionamento de acordo com o elemento a ser inserido ou removido. Esse reposicionamento de elementos pode ser vistos ao comparar a Figuras 6 com a Figura 7, onde um novo elemento, contendo o valor 110 (cento e dez), é inserido. Com a inserção do valor, a altura da árvore é incrementada e seus elementos reposicionados.
Figura 6 – Interface da Estrutura Arvore (Binária e Múltiplos filhos à direita)
Figura 7 – Redimensionamento dos Elementos após a Inserção
6. Conclusão
O escopo do trabalho foi utilizar técnicas que garantissem fácil acesso à ferramenta pelas comunidades interessadas, disponibilizando um ambiente integrado na qual a partir dele, seja possível interagir com as estruturas utilizadas na disciplina proposta.
Assim, conclui-se que a ferramenta é favorável no auxílio para o ensino da disciplina, devido utilizar recursos tecnológicos, gráficos e interativos para a representação das estruturas de dados.
Como trabalhos futuros, novas estruturas podem ser incorporadas ao trabalho, devido a sua programação modular, além de animações para melhorar a interação em sua manipulação. Outro trabalho importante seria aplicar a ferramenta em sala de aula, seguido de análises dos feedbacks de professores e alunos para futuras correções e melhorias.
8. Referências
Cardoso, Gabriel, S. Microsoft Kinect: Crie aplicações interativas com o microsoft kinect. Casa do Código. São Paulo, 2013.
Gomide, João V. b; Pacheco, Daniel; Araújo, Arnaldo de a. Captura de movimento e animação de personagens em jogos. Universidade Fumec e Universidade Federal de Minas Gerais. Rio de Janeiro – RJ, 2009.
Laureano, Marcos. Estrutura de dados com algoritmos e c. Curitiba: Brasport livros e multimídia ltda, 2012.
Medeiros, Anna Soares. Interação natural baseada em gestos como interface de controle para modelos tridimensionais. Universidade Federal da Paraíba. João Pessoa, 2012. Microsoft. Kinect for windows sdk. Disponível em: <
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/hh855347.aspx >. Acesso em: julho de 2014.
Siga. Sistema de Informações de Gestão Acadêmica. Disponível em: https://sia.ufmt.br/www-siga/htmldelphi/login/LoginUnico/login.htm. Acesso em: agosto de 2014.
