Insegnare matematica nell'era digitale: dall’ardesia al silicio in cinquant’anni

La prima parte dell’elaborato ripercorre la storia dell’introduzione delle tecnologie all’interno delle istituzioni scolastiche, sia dal punto di vista pratico, sia dal punto di vista legislativo, che ha accompagnato questo ingresso tutt’altro che lineare, a partire dagli anni ’80 fino ai giorni nostri grazie alle ultime introduzioni avvenute con la messa in atto del Piano Nazionale Scuola Digitale. Vengono poi descritti alcuni software utilizzati nelle scuole sia in passato che in tempi più recenti per arrivare agli ultimi sviluppi e agli applicativi online per lo studio della matematica. Infine nell’ultimo capitolo è descritta un’unità didattica riguardante lo studio della probabilità, ideata per gli allievi di una scuola secondaria di secondo grado che utilizza la LIM e alcuni software adeguati all’argomento proposto. Quello che emerge, però, è la difficoltà sia nella diffusione delle tecnologie nella scuola, sia nel loro utilizzo da parte dei docenti. Spesso gli insegnanti non hanno un livello adeguato di formazione in ambito tecnologico e quindi non sono in grado di sfruttare pienamente le potenzialità offerte. Il cammino per arrivare ad una completa formazione del personale docente e per la completa digitalizzazione delle scuole è ancora lungo e tortuoso. Tuttavia è importante ricordare che le tecnologie non possono essere la risposta a tutto, bensì un efficace mezzo per attirare l’attenzione e soprattutto stimolare la fantasia di alunni e docenti. Inoltre non si può pensare alcuna tecnologizzazione senza prima aver posto e consolidato le basi di un qualsivoglia argomento da proporre in classe con l’ausilio di software e hardware.

Implementazione e valutazione delle prestazioni di algoritmi di localizzazione Indoor basati su dispositivi Beacon

Questo elaborato di tesi ha lo scopo di illustrare un'applicazione realizzata per dispositivi Android in grado di localizzare l'utente all'interno di un ambiente indoor sfruttando l'utilizzo dei Beacon e dare una valutazione dei risultati ottenuti. L'utente potrà registrare i dispositivi Beacon in suo possesso all'interno dell'applicazione, caricare la planimetria di un ambiente e configurarlo indicando esattamente quale Beacon si trova in una determinata posizione. Infine potrà scegliere quale tra i tre algoritmi implementati (Prossimità, Triangolazione e Fingerprinting) utilizzare per visualizzare la propria posizione sulla mappa. I tre algoritmi sono stati sottoposti a vari test che hanno permesso di analizzare le differenze tra di essi in termini di accuratezza e le performance generali dell'applicativo.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Proprietà di conduzione elettrica in campioni di grafene poroso

Il grafene, allotropo del carbonio costituito da un reticolo bidimensionale, è uno dei nanomateriali più promettenti allo stato attuale della ricerca nei campi della Fisica e della Chimica, ma anche dell'Ingegneria e della Biologia. Isolato e caratterizzato per la prima volta nel 2004 dai ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, ha aperto la via sia a studi teorici per comprendere con gli strumenti della Meccanica Quantistica gli effetti di confinamento in due dimensioni (2D), sia ad un vastissimo panorama di ricerca applicativa che ha l'obiettivo di sfruttare al meglio le straordinarie proprietà meccaniche, elettriche, termiche ed ottiche mostrate da questo materiale. Nella preparazione di questa tesi ho personalmente seguito presso l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna la sintesi mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) di grafene "tridimensionale" (3D) o "poroso" (denominato anche "schiuma di grafene", in inglese "graphene foam"), ossia depositato su una schiuma metallica dalla struttura non planare. In particolare l'obiettivo del lavoro è stato quello di misurare le proprietà di conduttività elettrica dei campioni sintetizzati e di confrontarle con i risultati dei modelli che le descrivono teoricamente per il grafene planare. Dopo un primo capitolo in cui descriverò la struttura cristallina, i livelli energetici e la conduzione dei portatori di carica nel reticolo ideale di grafene 2D (utilizzando la teoria delle bande e l'approssimazione "tight-binding"), illustrerò le differenti tecniche di sintesi, in particolare la CVD per la produzione di grafene poroso che ho seguito in laboratorio (cap.2). Infine, nel capitolo 3, presenterò la teoria di van der Pauw su cui è basato il procedimento per eseguire misure elettriche su film sottili, riporterò i risultati di conduttività delle schiume e farò alcuni confronti con le previsioni della teoria.

Progettazione e prototipazione di un sistema di Data Stream Processing basato su Apache Storm

Con l’avvento di Internet, il numero di utenti con un effettivo accesso alla rete e la possibilità di condividere informazioni con tutto il mondo è, negli anni, in continua crescita. Con l’introduzione dei social media, in aggiunta, gli utenti sono portati a trasferire sul web una grande quantità di informazioni personali mettendoli a disposizione delle varie aziende. Inoltre, il mondo dell’Internet Of Things, grazie al quale i sensori e le macchine risultano essere agenti sulla rete, permette di avere, per ogni utente, un numero maggiore di dispositivi, direttamente collegati tra loro e alla rete globale. Proporzionalmente a questi fattori anche la mole di dati che vengono generati e immagazzinati sta aumentando in maniera vertiginosa dando luogo alla nascita di un nuovo concetto: i Big Data. Nasce, di conseguenza, la necessità di far ricorso a nuovi strumenti che possano sfruttare la potenza di calcolo oggi offerta dalle architetture più complesse che comprendono, sotto un unico sistema, un insieme di host utili per l’analisi. A tal merito, una quantità di dati così vasta, routine se si parla di Big Data, aggiunta ad una velocità di trasmissione e trasferimento altrettanto alta, rende la memorizzazione dei dati malagevole, tanto meno se le tecniche di storage risultano essere i tradizionali DBMS. Una soluzione relazionale classica, infatti, permetterebbe di processare dati solo su richiesta, producendo ritardi, significative latenze e inevitabile perdita di frazioni di dataset. Occorre, perciò, far ricorso a nuove tecnologie e strumenti consoni a esigenze diverse dalla classica analisi batch. In particolare, è stato preso in considerazione, come argomento di questa tesi, il Data Stream Processing progettando e prototipando un sistema bastato su Apache Storm scegliendo, come campo di applicazione, la cyber security.

Riconoscimento real-time di gesture tramite tecniche di machine learning

Il riconoscimento delle gesture è un tema di ricerca che sta acquisendo sempre più popolarità, specialmente negli ultimi anni, grazie ai progressi tecnologici dei dispositivi embedded e dei sensori. Lo scopo di questa tesi è quello di utilizzare alcune tecniche di machine learning per realizzare un sistema in grado di riconoscere e classificare in tempo reale i gesti delle mani, a partire dai segnali mioelettrici (EMG) prodotti dai muscoli. Inoltre, per consentire il riconoscimento di movimenti spaziali complessi, verranno elaborati anche segnali di tipo inerziale, provenienti da una Inertial Measurement Unit (IMU) provvista di accelerometro, giroscopio e magnetometro. La prima parte della tesi, oltre ad offrire una panoramica sui dispositivi wearable e sui sensori, si occuperà di analizzare alcune tecniche per la classificazione di sequenze temporali, evidenziandone vantaggi e svantaggi. In particolare, verranno considerati approcci basati su Dynamic Time Warping (DTW), Hidden Markov Models (HMM), e reti neurali ricorrenti (RNN) di tipo Long Short-Term Memory (LSTM), che rappresentano una delle ultime evoluzioni nel campo del deep learning. La seconda parte, invece, riguarderà il progetto vero e proprio. Verrà impiegato il dispositivo wearable Myo di Thalmic Labs come caso di studio, e saranno applicate nel dettaglio le tecniche basate su DTW e HMM per progettare e realizzare un framework in grado di eseguire il riconoscimento real-time di gesture. Il capitolo finale mostrerà i risultati ottenuti (fornendo anche un confronto tra le tecniche analizzate), sia per la classificazione di gesture isolate che per il riconoscimento in tempo reale.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Studio di un sistema di comunicazione ad alimentazione risonante wireless.

L'elaborato tratta della progettazione di un sistema di alimentazione wireless risonante per i nodi sensori, strumenti fondamentali per il controllo delle strutture(Structural Health Monitoring). Esso si concentra sulla realizzazione di un convertitore flyback risonante (con circuito di snubber incluso per il main switch) in grado di fornire una tensione di 5 Volt in uscita a fronte di una corrente media massima sul carico di 800mA data una tensione di 12 volt in ingresso. Dopo aver introdotto il concetto di Wireless Power Transfer (WPT) e i principi fisici su cui esso poggia (induzione elettromagnetica e risonanza elettromagnetica), si presentano i modelli circuitali più utilizzati in questo ambito. Una volta illustrate le conoscenze allo stato dell'arte dell'accoppiamento induttivo risonante, si analizza il comportamento del modello scelto, al fine di evidenziare i vantaggi dell'utilizzo del circuito alla frequenza di risonanza. Sono state effettuate simulazioni con il simulatore LTspice come controprova. Si passa quindi a dimensionare i vari elementi del circuito a fronte delle specifiche stabilite. Grazie ai risultati ottenuti, si procede alla stesura del Bill Of Materials. La tesi si conclude presentando i possibili campi di ricerca e sviluppo del sistema di alimentazione.

Progettazione e realizzazione di un prototipo di stazione per il monitoraggio ambientale

La tesi analizza la problematica del monitoraggio ambientale a basso costo, cercando di approfondirne le caratteristiche e studiando le situazioni in cui questo vi si adatta bene. Lo studio ha permesso di realizzare due tipologie di stazioni di raccolta dati, una dedicata alla misurazione delle polveri sottili, e una dedicata alla misurazione dell’acidità delle piogge. Entrambe le stazioni condividono la logica di funzionamento, quindi il “core” rimane lo stesso pur lavorando con dati estremamente diversi, mentre si distinguono per i due sensori utilizzati. In fase di test i sensori si sono dimostrati sufficientemente precisi lasciando ben sperare per la realizzazione di applicazioni in contesti reali simili a quelli considerati durante l’analisi. Le stazioni sono in grado di fornire dati geo-localizzati consultabili attraverso un portale web, è possibile visualizzare ogni stazione su una mappa ricevendo aggiornamenti sulle ultime misurazioni, inoltre si possono modellare i dati e visualizzarli su una serie di grafici. Una delle caratteristiche fondamentali che ha guidato tutta la progettazione è stata l’estendibilità del modello, la logica di funzionamento della stazione può essere facilmente implementata su tecnologie hardware e software diverse.

Costruzione di un filtro ottimale per la ricerca di ammassi di galassie in survey fotometriche

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che possiamo osservare nell’Universo. La loro formazione deriva direttamente dalla crescita delle perturbazioni primordiali di densità e dal loro conseguente collasso gravitazionale indotto appunto dalla gravità. Gli ammassi di galassie sono molto importanti in Astrofisica in quanto possono essere considerati come dei laboratori per lo studio di molti aspetti fisici legati al gas, all’ICM e all’evoluzione delle galassie. Lo studio degli ammassi di galassie è molto importante anche per la Cosmologia in quanto è possibile effettuare delle stime sui parametri cosmologici ed ottenere dei vincoli sulla geometria dell’Universo andando a valutare la loro massa e la loro distribuzione nell’Universo. Diventa quindi fondamentale l’utilizzo di algoritmi che ci permettano di utilizzare i dati ottenuti dalle osservazioni per cercare ed individuare gli ammassi di galassie in modo tale da definire meglio la loro distribuzione nell’Universo. Le più recenti survey di galassie ci forniscono molteplici informazioni a riguardo delle galassie, come ad esempio la loro magnitudine in varie bande osservative, il loro colore, la loro velocità ecc. In questo lavoro abbiamo voluto testare la performance di un algoritmo Optimal Filtering nella ricerca degli ammassi di galassie utilizzando prima solo l’informazione della magnitudine delle galassie e successivamente anche l’informazione sul loro colore. Quello che abbiamo voluto fare, quindi, è stato valutare se l’utilizzo combinato della magnitudine delle galassie e del loro colore permette all’algoritmo di individuare più facilmente, e in numero maggiore, gli ammassi di galassie.

Continuous innovation in food and beverage packaging design. Progetto di tutorial per lo studio di nuove forme di contenitore in PET.

Mi sono occupato di confezionamento di bevande, un settore che utilizza largamente il PET. Il progetto di tesi consiste in un processo che serve a ideare nuove forme di contenitore in PET attraverso strumenti di ricerca e innovazione.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi di localizzazione a banda ultra-larga

Il processo di localizzazione risponde all'esigenza dell'uomo di avere una percezione sempre più dettagliata e precisa del contesto in cui si trova, con l'intento di migliorare e semplificare l'interazione con oggetti e cose ivi presenti. L'idea attuale è quella di progettare sistemi di posizionamento con particolare riguardo agli ambienti indoor, caratterizzati da proprietà e densità di elementi che limitano fortemente le prestazioni dei consolidati sistemi di tracking, particolarmente efficienti in spazi aperti. Consapevole di questa necessità, il seguente elaborato analizza le prestazioni di un sistema di localizzazione sviluppato dall'Università di Bologna funzionante in tecnologia Ultra-Wide Bandwidth (UWB) e installato nei laboratori DEI dell'Alma Mater Studiorum con sede a Cesena. L'obiettivo è quello di caratterizzare l'accuratezza di localizzazione del sistema, suggerendo nuovi approcci operativi e de�finendo il ruolo dei principali parametri che giocano nel meccanismo di stima della posizione, sia in riferimento a scenari marcatamente statici sia in contesti in cui si ha una interazione dinamica degli oggetti con lo spazio circostante. Una caratteristica della tecnologia UWB è, infatti, quella di limitare l'errore di posizionamento nel caso di localizzazione indoor, grazie alle caratteristiche fisiche ed elettriche dei segnali, aprendo nuovi scenari applicativi favorevoli in termini economici, energetici e di minore complessità dei dispositivi impiegati.

Formulazione e caratterizzazione di geopolimeri come nuovi materiali refrattari

Il presente lavoro di tesi è finalizzato all'ottimizzazione della formulazione iniziale e delle condizioni di stagionatura per ottenere un materiale utilizzabile come refrattario in applicazioni che richiedono elevate temperature di esposizione. L’interesse della ricerca scientifica verso questa nuova classe di materiali nasce dai vantaggi ambientali ed economici che essi possono fornire. Inoltre, le buone proprietà di resistenza e stabilità termica evidenziate dagli studi condotti negli ultimi anni inducono a sperimentare l’impiego dei materiali geopolimerici in sostituzione dei materiali refrattari o cementiferi attualmente in commercio. A tal fine sono state determinate le caratteristiche fisico-meccaniche, microstrutturali e termiche di matrici geopolimeriche additivate con scarti refrattari. Lo studio svolto, si può suddividere in tre fasi successive. Inizialmente sono state ottimizzazione le formulazioni geopolimeriche. Successivamente i prodotti ottenuti sono stati oggetto di caratterizzazione fisico-meccanica, microstrutturale e termica. Tali caratterizzazioni sono state eseguite attraverso: analisi al microscopio ottico, assorbimento di acqua, determinazione della densità geometrica, prove ultrasoniche per la determinazione dell’omogeneità del materiale, resistenza meccanica a compressione, diffrattometria ai raggi X (XRD), microscopio riscaldante, ciclo termico in muffola e analisi dilatometriche. Nella terza fase sono stati analizzati ed elaborati i risultati ottenuti, evidenziando le soddisfacenti proprietà di stabilità e resistenza termica. È stata inoltre effettuata una analisi economica preliminare evidenziando la competitività nel marcato del sistema geopolimerico studiato. Se a questo si aggiungono i considerevoli benefici ambientali dovuti al fatto che il prodotto è ottenuto con sostanze di recupero, non sarebbe sorprendente che in un futuro prossimo i geopolimeri possano essere largamente prodotti e commercializzati.

Ottimizzazione di mix design di geopolimeri a base di metacaolino e studio dei relativi processi di formatura

Il seguente lavoro di tesi si pone come obiettivo di ottimizzare il mix design di materiali geopolimerici a base di metacaolino in modo da ottimizzare il procedimento di formatura tramite pressatura tipico delle piastrelle ceramiche. La parte iniziale del lavoro sperimentale è stata incentrata sullo studio dell’ottimizzazione delle formulazioni per ottenere impasti geopolimerici a base di metacaolino idonei per la pressatura e il colaggio; sono stati quindi preparate diverse formulazioni ottenute variando diversi parametri di processo, quali il contenuto totale di acqua dell’impasto e la concentrazione di quarzo utilizzato come filler inerte. Su tali mix è stato individuato il processo di formatura più idoneo dal punto di vista di temperatura di consolidamento, modalità e tempi di cottura ed è stato messo a punto il procedimento ottimale per la preparazione dei materiali, procedimento che è stato poi mantenuto per l’intero decorso dello studio. Nella produzione degli impasti si è deciso di eliminare sistematicamente quelle formulazioni che avevano prodotto materiali con peggiori prestazioni fisiche, come alcune formulazioni testate per il colaggio. Successivamente, dopo avere preparato i campioni, su di essi sono state eseguite le prove di assorbimento d’acqua e porosimetria ad intrusione di mercurio, per valutare le caratteristiche fisiche dei vari impasti prodotti, osservazioni al microscopio ottico e al microscopio a scansione elettronica, per analizzare i campioni selezionati dal punto di vista microstrutturale e morfologico e prove al microscopio riscaldante, per studiarne il comportamento alle alte temperature. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con quelli dei materiali ceramici tradizionali, per avere indicazioni sulla potenzialità dei prodotti a base geopolimerica come alternativa alla produzione di piastrelle ceramiche.

Sistema di visione stereo su architettura ZYNQ

Lo scopo della tesi è creare un’architettura in FPGA in grado di ricavare informazioni 3D da una coppia di sensori stereo. La pipeline è stata realizzata utilizzando il System-on-Chip Zynq, che permette una stretta interazione tra la parte hardware realizzata in FPGA e la CPU. Dopo uno studio preliminare degli strumenti hardware e software, è stata realizzata l’architettura base per la scrittura e la lettura di immagini nella memoria DDR dello Zynq. In seguito l’attenzione si è spostata sull’implementazione di algoritmi stereo (rettificazione e stereo matching) su FPGA e nella realizzazione di una pipeline in grado di ricavare accurate mappe di disparità in tempo reale acquisendo le immagini da una camera stereo.