Implementação de Analisadores de Imagens na Disciplina de Materiais Para Engenharia: Uma Nova Metodologia de Ensino

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1 Implementação de Analisadores de Imagens na Disciplina de Materiais Para Engenharia: Uma Nova Metodologia de Ensino Milton Vieira Junior (PPGEP/UNIMEP) André de Lima (PPGEP/UNIMEP) Resumo As disciplinas ligadas a área de Materiais Para Engenharia, principalmente no tocante das aulas práticas de microscopia ópticas e metalografia, baseia-se normalmente no uso de microscópios metalográficos pelos alunos e auxiliados pelo professor, geralmente dentro de um laboratório. Isso causa uma certa dificuldade, pois nem sempre ambos consegue visualizar os fenômenos em destaque ao mesmo tempo, dada a diferença de experiência e de percepção existente entre os docentes e os discentes, sem falar na impossibilidade de uma análise simultânea. Na tentativa de solucionar esse problema,muitos docentes recorrem ao uso de fotografias previamente obtidas e reveladas. No entanto, mesmo esse recurso apresenta ainda o mesmo tipo de problema (nem sempre a foto corresponde à amostra analisada), além de demandar tempo para preparação da fotografia e ainda em determinados momentos acaba frustrando um pouco a idéia do aprender fazendo. O desenvolvimento de recursos computacionais de análise de imagens vem de encontro a esses problemas e pode quebrar essas barreiras, facilitando a interpretação de metalografias por parte dos discentes e a familiarização com outros recursos tecnológicos utilizados também fora das universidades, além de ser um recurso metodológico importante para o docente. O presente trabalho apresenta experiências desenvolvidas pelos docentes da área de Materiais da FEAU-UNIMEP na utilização de analisadores de imagens como um recurso metodológico para aulas práticas. Palavras-chave: Metodologia de Ensino, Materiais Para Engenharia, Ensino de Engenharia de Produção. 1. INTRODUÇÃO Foram muitas as inovações tecnológicas, que vem sendo presenciadas ao longo dos últimos anos, essa evolução têm levado ao ensino de engenharia uma importante questão: O desafio de como adaptar a formação de engenheiros dentro de um cenário de constantes mudanças e inovações? (Longo, 1999) trouxe para a discussão o papel do professor dentro desse novo contexto. (Silva, 1999) discorre sobre a necessidade de que o professor modifique sua postura no papel de educador como forma de consecução dos objetivos propostos em um processo de ensino-aprendizagem. Já (Longarezzi et all, 1999) afirmaram que, além das constantes inovações tecnológicas, uma outra variável deve ser considerada nesse cenário de desafio metodológico: as diretrizes curriculares. Em todas as afirmações observadas acima nota-se que a utilização de novas metodologias de ensino recorrendo as inovações tecnológicas, que envolve também o uso de equipamentos similares aos utilizados pelas organizações onde os alunos futuramente serão inseridos, é uma ENEGEP 2004 ABEPRO 5483

2 das principais ferramentas, senão a principal, de que o docente deve dispor para atender às novas demandas. Na área de Materiais Para Engenharia essa realidade não é diferente. As aulas tradicionais de laboratório, especialmente na parte que se refere ao estudo de microscopias, estão sendo reavaliadas e diferentes recursos tecnológicos estão sendo introduzidos. Um desses recursos é a utilização de Analisadores de Imagens como ferramenta de suporte para o estudo de metalografias e para aulas práticas de microscopia. Transformando uma análise que até então tinha o caráter individualizado em uma análise coletiva, onde junto a interpretação do aluno adiciona-se a experiência do professor eliminando a possível formação equivocada de conceitos. O presente trabalho traz uma comparação entre o método tradicional de ensino prático de Materiais Para Engenharia e o método que utiliza-se do Analisador de Imagens como ferramenta de suporte. Ainda são apresentados alguns dos recursos que essa ferramenta possibilita, visando firma-la como um facilitador na introdução de uma metodologia diferenciada para o ensino prático de Materiais. 2. AULAS PRÁTICAS DE MATERIAIS PARA ENGENHARIA MÉTODO TRADICIONAL Tradicionalmente, o ensino prático de Materiais Para Engenharia tem como base a utilização de análises metalográficas e microscopias óptica. Para tanto, os laboratórios de Materiais possuem, em geral, uma sala de microscopia na qual existem diversos microscópios de metalografia. É nesses microscópios que os alunos devem identificar as várias estruturas dos materiais, as possíveis imperfeições e variações destas, entre outras características. Uma configuração típica de uma sala de microscopia é mostrada na figura 1. Pode-se perceber que além dos microscópios, geralmente existem algumas fotografias de estruturas anteriormente identificadas e que estão disponíveis como exemplo para que o aluno estabeleça uma correlação entre a imagem da fotografia e aquela que está sendo observada, figura 1. Entretanto, por mais que o professor se esforce e por mais que a imagem fotografada seja próxima daquela em observação, muitas vezes o aluno não identifica a característica a ser estudada. Isso deve-se, principalmente, ao fato de que o professor e o aluno não estão observando a mesma imagem no mesmo instante, ou seja, o professor pode identificar a ENEGEP 2004 ABEPRO 5484

3 característica desejada em regiões de interesse na amostra, mas não a observa em conjunto com o aluno. Além disso, não pode apontá-la no momento em que o aluno está realizando suas observações. Figura 1 Configuração típica de uma sala de microscopia em um Laboratório de Materiais Para Engenharia. Como decorrência disso, muitas vezes o professor recorre às fotografias como forma de exemplificar e identificar de modo mais interveniente a(s) característica(s) de interesse. Esse método, utilizado já há muito tempo, deixa a desejar quando nem o professor e nem o aluno têm a certeza de que estão observando a mesma imagem. São muito comuns os casos em que o aluno comunica ao professor uma dificuldade em identificar determinada estrutura, e quando este observa a imagem no microscópio identifica que o aluno está analisando uma região diferente daquela de interesse (em muitas ocasiões o aluno está fazendo uma observação da resina de embutimento da amostra e não desta propriamente). É importante salientar o fato de que esta metodologia tradicional de microscopia vem pouco a pouca caindo em total dês-uso por parte das empresas do setor, dada a baixa produtividade e a falta de praticidade no que diz respeito a processo de propagação da informação, uma vez que as troca de dados quase que 100% são realizadas por vias eletrônicas. 3. AULAS PRÁTICAS DE MATERIAIS PARA ENGENHARIA UTILIZANDO O RECURSO DE ANALISADORES DE IMAGENS Existem conceitos dentro do campo dos Materiais Para Engenharia que, mesmo necessitando de um grande dispêndio de tempo não podem deixar de ser tratados e observados como ENEGEP 2004 ABEPRO 5485

4 elemento de grande importância no escopo dos cursos de engenharia. Assuntos que fundamentam a Ciências dos Materiais. O Analisador de Imagens passa então a ser uma ferramenta que permite a ilustração real e instantânea desses conceitos, dando ao aluno maior clareza e envolvimento na interpretação de fenômenos ocorridos ou gerados no interior dos materiais em questão, e possibilitando uma análise mais aprofundada tanto dos aspectos microscópicos, como dos macroscópicos. A figura 2 (a), mostra uma câmera CCD acoplada a um microscópio metalográfico. Essa câmara está ligada a um microcomputador por meio de uma placa sincronizadora ( frame graber ) e a imagem nela obtida pode ser visualizada e analisada através de um software de Análise de Imagens ( Global Lab Image View ). A imagem obtida através da câmera é mostrada na tela do monitor do microcomputador ou projetada por meio de um projetor multimídia, figura 2 (b), permitindo que o professor demonstre e identifique as características de interesse no exato momento em que as está explicando para os alunos. A figura 3 mostra exemplos de imagem sobre as quais o professor pode trabalhar com o uso desse recurso, destacando a realização de contagem de partículas ou uma medição dimensional de uma camada afetada por processo de usinagem (LIMA ET AL, 1998), a verificação de concentração de grãos de uma determinada fase (LIMA ET AL, 2001) e a identificação de uma variação no perfil de tonalidade ao longo de uma direção (LIMA ET AL, 1999). Com o software de análise de imagens é possível realizar diferentes tipos de análises durante uma aula prática: medições lineares e de área (a partir de uma calibração prévia que converte em unidades de medida o número de pixels envolvidos em uma dada dimensão); contagem de grãos e percentuais de fases (a partir do estabelecimento de níveis diferenciados de contraste na imagem); concentração de grãos (a partir de levantamento estatístico feito sobre uma determinada área de interesse); identificação de mudanças de fase ou de deformações não claramente visíveis (através do levantamento do perfil de tonalidade apresentado ao longo de uma linha específica), entre outros. ENEGEP 2004 ABEPRO 5486

5 (a) (b) Figura 2 (a) Esquematização do analisador Câmera CCD acoplada a um microscópio. (b) projeção da imagem em multimídia. Figura 3 Exemplo de análise de imagem que pode ser utilizada pelo professor durante uma aula prática de microscopia. Outra inovação identificada a partir do uso desse recurso é a possibilidade do equipamento (microscópio + câmera + microcomputador) ser montado em uma bancada móvel, o que permite seu transporte até cada um dos microscópios do laboratório ou até mesmo na sala de aula, de acordo com as necessidades do docente. A câmera é então acoplada ao microscópio e a imagem pode ser observada na tela do microcomputador. Nela o professor pode realizar algumas observações preliminares junto ao aluno que está fazendo as análises no microscópio, facilitando assim o processo de visualização das amostras ou projetando-a em tela para gerar uma discussão global entre os alunos, para assim medir o desempenho da sala. Ao salientar as características e vantagens do analisador de imagem é interessante lembrar as melhorias conseguidas com relação ao desenvolvimento de uma das mais tradicionais aula de materiais, a determinação dos percentuais de fase do aço, numero de impurezas caracterização de micro-estrutura do ferro fundido que outrora demandava um tempo considerável para que o ENEGEP 2004 ABEPRO 5487

6 aluno pudesse realmente compreender e assimilar o que realmente o professor tentava expor por meio de fórmulas, cálculos e esboços, com propósito de ilustrar tal fenômeno. Um outro exemplo claro de melhoria, pode ser percebido facilmente em uma prática desenvolvida com o propósito de demonstrar o comportamento físico e micro estrutural de um metal não ferroso, neste caso em particular, a análise do Níquel. Nessa prática, conhecida como "Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grãos", um total de dez amostras são preparadas para demonstrar e retratar as etapas desse ciclo (recuperação, recristalização e crescimento). Cada amostra representa uma das etapas envolvidas no processo 1, no qual é feito um acompanhamento geral da estrutura granular do material, saindo de seu estado original, passando para estruturas cujos grãos se deformam, tem uma seqüência de ampliação granular crescente ao longo das amostras até chegar à ultima amostra, na qual o aluno depara com uma estrutura muito próxima do estado original encontrado na 1ª amostra. Traduzindo este exemplo para números, pode-se observar algo do tipo: para a preparação de uma aula desse tipo na forma tradicional, é necessário um volume de pelo menos oito conjuntos de amostras para cada microscópio a ser utilizado (o que depende do número de alunos envolvidos na aula). No caso de serem necessários dez microscópios para a aula, isso implica na preparação de oitenta (80) amostras. O tempo estimado de preparação de cada uma das amostras, desconsiderando todo o tempo gasto com a preparação térmica das amostras, é de aproximadamente quarenta (40) minutos. Com o recurso do Analisador de Imagem é necessário o preparo de apenas um conjunto de amostras que podem ser observadas simultaneamente por todos. 4. CONCLUSÕES As mudanças metodológicas são um fator importante para auxiliar novas concepções de ensino de engenharia que vêm sendo estudadas e desenvolvidas. Na área de ensino de Materiais Para Engenharia, a necessidade de introdução de uma nova metodologia voltada para aulas práticas foi claramente identificada e propôs-se a introdução de Analisadores de Imagem como recurso facilitador de uma nova metodologia. Os Analisadores podem auxiliar em diversos tipos de aula prática de Materiais, desde a simples análise metalográfica (com a identificação de fases e de transformações), até a medição de elementos dimensionais (profundidade de uma camada afetada por processo de 1 material em seu estado original; material encruado 40%; material encruado e aquecido a 500 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 600 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 625 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 650 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 700 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 800 c durante 1 hora; material encruado e aquecido a 900 c durante 1 hora; e material encruado e aquecido a 900 c durante 2 horas ENEGEP 2004 ABEPRO 5488

7 usinagem) e/ou percentuais (concentração de grãos ou de fase). Também pode ser citada a vantagem na redução da preparação de amostras repetidas em determinadas práticas. Entretanto, é na interação aluno/professor através da utilização do recurso de visualização imediata de imagens, que pode ser identificada a maior contribuição metodológica obtida a partir do uso de Analisadores de Imagens em aulas práticas de Materiais Para Engenharia. 5. BIBLIOGRAFIA LONGO, H.I. Aspectos Pedagógicos e Ideológicos das Novas Tecnologias Aplicadas ao Ensino. 27º Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, Natal-RN, Setembro, SILVA, P.A.L. O Professor da Era Industrial na Idade da Informação. 27º Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, Natal-RN, Setembro, LONGAREZZI, A.; LIMA, E.F.; TANCREDI, R.M.S.P Desafios Metodológicos Decorrentes das Novas Diretrizes Curriculares. 27º Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, Natal-RN, Setembro, LIMA, A;VIEIRA Jr., M.; LIBARDI, R.; CANCILIERI, H. Análise da Camada Afetada Pelo Calor na Superfície de Peças Retificadas. IV Seminário de Desgaste, Associação Brasileira de Metalurgia ABM, São Paulo, Julho, LIMA, A.; VIEIRA Jr., M.; COPPINI, N.L.; MIRANDA, G.W.A. A Brief Study of Heat Affected Zone (HAZ) Formation in Optimized Drilling Process. 16 th International Conference on Production Research, Prague Czech Republic, Julho LIMA, A.; VIEIRA Jr., M.; LIBARDI, R.; CANCILIERI, H.A. Influência das Condições de Retificação Sobre a Formação da Camada Afetada Pelo Calor na Superfície de Peças Retificadas. V CIDIM Congreso Iberoamericano de Inginieria Mecanica, Santiago Chile, Novembro, ENEGEP 2004 ABEPRO 5489