Meneer, wat moet die zandbak in het lokaal?

1 oktober 2017
Auteurs:
Mathijs Booden
Universiteit van Amsterdam
Armin Viergever
Hogeschool van Amsterdam
Wiebke Goβens
Europese School Den Haag/Rijnlands Lyceum
Dit artikel is verschenen in: geografie oktober 2017
onderwijs
Opinie
FOTO: MATHIJS BOODEN
Leerlingen van het Erasmiaans Gymnasium werken aan een schaalmodel van Mount St. Helens.

Gebruik van ict in de les betekende ooit: achter een beeldscherm zitten. De opkomst van augmented reality maakt dat het ook anders kan, door extra informatie op de werkelijkheid te projecteren. Van zandbak tot Mount St. Helens. 

 

Wie in de zomermaanden van 2016 over straat liep, ontkwam er niet aan: mensen op zoek naar onzichtbare Pokemon, verstopt op de gekste plekken en alleen te vinden met de app Pokémon Go. In de Verenigde Staten liepen mensen doodgemoedereerd militaire bases binnen en reden rivieren in op zoek naar de wezentjes. In Nederland werd Kijkduin overspoeld door Pokemonjagers. Een sprekend voorbeeld van de toepassing van een geografisch informatiesysteem (GIS) natuurlijk, maar meer nog van augmented reality (AR, letterlijk: toegevoegde of aangevulde werkelijkheid). AR slaat op het vervagen van de grenzen tussen werkelijkheid en technologie. Bijvoorbeeld door zoals in Pokémon Go beelden en plaatsen uit de werkelijkheid in een spel te integreren, en door op het smartboard grenzen in te tekenen op een luchtfoto uit Google Maps. Het kan ook andersom: digitaal gegenereerde beelden projecteren op de werkelijkheid en op die manier bepaalde aspecten van de werkelijkheid benadrukken of aanvullen. Dat zoiets een didactische en motiverende waarde kan hebben, zal duidelijk zijn. Maar hoe pak je dat aan? 

Zandbak

Een AR sandbox is een zandbak waarop een hoogtekaart geprojecteerd wordt. Dat betekent dat een verhoging in het zand rood wordt, of zelfs wit, en een laag stuk juist groen of zelfs blauw. Als het zandoppervlak wordt aangepast, verandert de kleur na een paar seconden mee. De kleurvlakken worden gescheiden door hoogtelijnen die, als alles goed is afgesteld, de contouren van het zandlandschap volgen. 

Hoe werkt zoiets? In de kern bestaat de AR sandbox uit vier onderdelen: een Kinect-camera, een Linux-pc, een projector en natuurlijk een zandbak. De Kinect-camera (kortweg Kinect) is oorspronkelijk ontwikkeld door Microsoft als aanvulling (een zogenoemde peripheral) voor de spelcomputer Xbox 360. De camera registreert een ruimtelijk beeld en werd door Microsoft ingezet voor spellen die je met je lichaam aanstuurt – denk aan een tennisspel waarbij de Kinect de beweging van je armen volgt en vertaalt naar de beweging van een tennisracket op het scherm. 

Enthousiastelingen ontdekten al snel dat de Kinect de 3D-beelden onversleuteld naar de computer stuurt. En zo kwamen er al gauw allerlei andere toepassingen. Oliver Kreylos van de universiteit van Californie schreef een Linux-programma dat het 3D-beeld van de Kinect als uitgangspunt neemt en er een digitaal hoogtemodel van maakt. Van ‘bovenaf ’ bezien is dat een hoogtekaart van het zandlandschap. Om deze kaart op het zandlandschap weer te geven, zet je de kaart op ‘volledig scherm’ en stuur je dit beeld naar een beamer die boven de zandbak hangt. Die projecteert het beeld op het zand. 

Kreylos voegde aan de hoogtekaart nog een watersimulatie toe. Die bootst behoorlijk overtuigend stromend water na dat via het relief van de zandbak naar het laagste punt stroomt. Dankzij de Kinect is het mogelijk het water ‘met de hand’ te bedienen. Hou je je hand met gespreide vingers boven het zand, dan regent het onder je hand. Wie even sleutelt aan de instellingen, maakt van het blauwe water in een handomdraai oranje lava. 

In de praktijk

AR sandbox-opstellingen staan inmiddels in diverse musea en scholen. In hoofdzaak zijn er twee toepassingen: spelenderwijs leren een hoogtekaart af te lezen en contourlijnen te interpreteren, en inzicht krijgen in de stroming van water en concepten als waterscheiding en stroomgebied. Je kunt de opstelling ook zonder zand gebruiken. Zo heeft Nemo een versie die alleen de watersimulatie gebruikt in combinatie met een opstelling met vaste dijken en verplaatsbare sluizen en dammen. 

Wij belichten hier voorbeelden van sandbox-opstellingen in de schoolpraktijk. Zelf een AR sandbox bouwen kan, en is minder ingewikkeld dan het misschien lijkt (zie kader). 

FOTO: MATHIJS BOODEN
Leerlingen aan de slag met de opstelling op het Kaj Munk College.

Erasmiaans Gymnasium

Wiebke Goβens deed op het Erasmiaans Gymnasium met haar stagebegeleider Annika Huizinga onderzoek naar de didactische waarde van de AR sandbox. In haar onderzoek bouwden brugklasleerlingen in groepjes van vijf eerst een landschap na van een foto en vervolgens van een hoogtelijnenkaart van een stukje Nederland. Ze moesten hier dus van 2D naar 3D denken. 

Vervolgens moest elk groepje een landschapsvorm bestuderen, daarover achtergrondinformatie opsnorren en dan de vorming van dit landschap nabootsen in de zandbak. Het ging daarbij om U-dalen, V-dalen, stuwwallen, stratovulkanen en schildvulkanen. Zo werd een zware steen door het zand geschoven, waardoor zich een stuwwal vormde. De steen was het gletsjerijs en het zand werd de Utrechtse Heuvelrug. Vervolgens moesten de leerlingen een verbinding leggen tussen het geziene en de theorie. Elk groepje gaf daarover een korte presentatie aan de rest van de klas. 

Sommigen lukte het goed de kennis die zij via de zandbak opdeden, te verwerken. Zo konden de leerlingen het U-dal goed reconstrueren en met een profielfoto (de zijkant van de plastic bak met zand was doorzichtig) goed visualiseren hoe het U-dal in het landschap gesleten is. 

De terugkoppeling van de leerlingen in learner reports was positief. Ze waardeerden vooral dat ze ‘eindelijk iets actiefs’ konden doen, gaven aan dat ‘je nog beter [leert] omdat je er dus ook plezier in hebt’ en ‘visueel leren wel makkelijker is en je het ook begrijpt en echt ziet’. Scoorden leerlingen dan ook beter op de eindtoets? Niet aantoonbaar. Vragen over de interpretatie van hoogtelijnen en de vorming van landschappen werden door een controlegroep niet significant beter of slechter gemaakt dan door de klas die met de sandbox gewerkt had. De meerwaarde voor deze lessenserie zat dus vooral in de vakbeleving en de motivatie. 

DevelsteinCollege Zwijndrecht

Dennis Hunink bouwde een sandbox met hulp van de ict-afdeling en de concierge van het DevelsteinCollege. ‘De sandbox was een inslaand succes op de open dag. En in 2 havo wordt hij gebruikt bij lessen over het stroomgebied van de Rijn. 

Onze bak is nog een prototype. Hij is erg lastig naar een ander lokaal te verplaatsen. De opstelling wordt aangepast en we gaan nieuw materiaal ontwikkelen voor de bovenbouw bij lessen over integraal waterbeheer.’ Een slimme toevoeging aan de opstelling is een Teensy-microcomputer, uitgerust met twee knoppen die direct de watersimulatie aansturen. Een druk op de ene knop laat het ‘regenen’, waarbij het virtuele water naar het laagste punt stroomt. Een druk op de andere laat het water weer verdampen tot alleen een ‘droge’ zandbak overblijft. 

Kaj Munk College Hoofddorp

‘Meneer, waarom staat er een zandbak in het lokaal?’ Luuk van Dijk bouwde in de zomervakantie een AR sandbox voor zijn klassen op het Kaj Munk College. ‘De software installeren is niet erg intuitief, maar het gebruik des te meer. Zowel mijn kinderen van 3 en 5 jaar als mijn 5 vwo-leerlingen maakten zonder instructie hun eigen landschappen. In de lessen gebruik ik de zandbak om het besef van natuurkundige kaarten te vergroten. Leerlingen bootsen bijvoorbeeld het relief van India na, waarbij de klimatologische gevolgen van het relief direct zichtbaar zijn.’ In hoeverre de bak didactische waarde heeft, is nog niet te zeggen, maar op het Kaj Munk College zijn leerlingen alvast enthousiast en spelenderwijs aan het leren.

Brazilië
FOTO: MATHIJS BOODEN
Zelf een AR sandbox bouwen 

Zelf een AR sandbox bouwen is niet zo moeilijk als het misschien lijkt. De belangrijkste aandachtspunten en valkuilen op een rij. 

Hardware 
Een opstelling bestaat uit vijf onderdelen: een Linux-pc, een beamer, een Kinect-camera, iets om de camera en de beamer boven het zand op te hangen, en een zandbak. 
De Linux-pc heeft een vlotte processor (Intel Core i5 op 3 GHz of beter) en een goede grafische kaart (Nvidia GeForce GTX 970 of sneller) nodig voor de watersimulatie. In principe werkt de software ook met grafische kaarten van AMD, maar AMD stelt niet consequent drivers beschikbaar voor Linux en is dus geen veilige keus; de software werkt uitsluitend met drivers van de fabrikant. Voor het werkgeheugen volstaat 2 GB, en aan de harde schijf worden geen bijzondere eisen gesteld. De beschreven pc koop je vanaf zo’n € 1000 en is daarmee de duurste component van de opstelling. 
De beamer moet tussen de 80-180 cm haarscherp projecteren. Zulke short-throw-beamers zijn in veel scholen aanwezig en wellicht is er eentje niet in gebruik. Anders is een geschikte verkrijgbaar vanaf € 500. De Kinect-camera moet er een van de eerste generatie zijn, voor de Xbox 360 en niet voor de Xbox One (die laatste versleutelt de data, waardoor die voor de software onbruikbaar zijn). Een tweedehands Kinect-camera en adapter kosten € 30 tot € 50. 
Watervast bekistingshout, voldoende voor een bak van 100x70 cm, is voor zo’n € 75 tot € 100 bij elke bouwmarkt verkrijgbaar. Watervast materiaal is aan te raden, omdat de bak het best werkt als het zand een beetje nat is. Een verrijdbare onderstel is optioneel. Het benodigde steigermateriaal is voor circa € 800 aan te schaffen via de webwinkel. Een alternatief is een lichtbrug voor poppodia, voor circa € 100 tot € 200. 
Verder is vooral veel zand nodig. Zilverzand volstaat, mits gemengd met beetje water. Kinetisch zand (verkrijgbaar bij de speelgoedzaak) is mooier, maar prijzig. Het is eventueel zelf te maken met maïzena en afwasmiddel. [ i ] www.famme.nl/ > zoek op ‘kinetisch zand’ 

Software
De software draait onder het gratis besturingssysteem Linux, bij voorkeur de variant Mint. Linux installeren is niet ingewikkeld en er is een uitgebreide supportgemeenschap online. 
De AR sandbox-software is gratis en rechtenvrij te downloaden. Het betreft drie softwarepakketten; voor de Kinect-camera, de verwerking van de data, en de sandbox-projectie. Op de website staat ook een gedetailleerde handleiding.
https://arsandbox.ucdavis.edu/ > Forums > Complete Installation Instructions 

Kalibratie
Is de opstelling eenmaal gebouwd, dan moet de software gekalibreerd worden zodat wat de beamer op het zand projecteert ook echt overeenkomt met het reliëf van het zand. De procedure is een geduldwerkje en gaat het best met z’n tweeën. Kreylos doorloopt op zijn YouTube-kanaal alle stappen. 
De kalibratie betekent een ‘vertekening’ van de projectie, omdat de projector schuin op het zandoppervlak schijnt. Laat je de kalibratie achterwege, dan komt de projectie niet mooi uit, maar is de output op het scherm een natuurgetrouwe hoogtekaart die leerlingen als basis kunnen nemen voor interpretatie en verslaglegging – ook daar is wat voor te zeggen. 
youtube.com/watch?v=EW2PtRsQQr0 

Vast of mobiel
Bouw je een mobiele opstelling, dan vereisen minimale aanpassingen aan de opstelling meteen een nieuwe kalibratie. Een vaste opstelling heeft het voordeel dat de camera, beamer en zandbak consistent ten opzichte van elkaar blijven. De keuze zal afhangen van praktische overwegingen (wel of geen vast AK-lokaal) en kosten (een vaste opstelling kost meer). 

INFORMATIE

Aan dit artikel werkten mee: Luuk van Dijk, Kaj Munk College; Dennis Hunink, DevelsteinCollege en Annika Huizinga, Erasmiaans Gymnasium. 

Het lesmateriaal vindt u op geografie.nl/onderwijs/lesmateriaal/materiaal-ar-sandbox