CC BY
171
BARSIC - СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ УЧЕБНЫХ КОМПЛЕКСОВ И ТРЕНАЖЕРНО-ОБУЧАЮЩИХ
СИСТЕМ ПО ФИЗИКЕ
В.В. Монахов, Ю.Л. Колесников, А.В. Кожедуб, Е.Ю. Комаров, Л.А. Евстигнеев,
С.А. Фастов
Проблемы использования мультимедийных и WWW-технологий
В настоящее время в связи с бурным развитием мультимедийных и WWW-технологий [1-4] ощущается необходимость использовать все преимущества этих технологий в учебных комплексах и тренажерно-обучающих системах.
На первый взгляд это кажется весьма простой задачей. Однако современные программные средства очень плохо интегрируются между собой. Поддержка работы с мультимедиа "напрямую" (на уровне открытых библиотек) в таких инструментальных средах, как C++ [5], Java [6], Delphi [7] и других, серьезно отстает от постоянно появляющихся новых возможностей и форматов.
Еще хуже обстоит дело с поддержкой HTML и других WWW-форматов, в особенности XML-совместимых [2]. Более-менее полноценную поддержку таких форматов в настоящее время обеспечивают только MS Internet Explorer версий 4 и более поздних, а также Netscape Navigator (Communicator) версий 4 и более поздних. Сами же WWW-броузеры не поддерживают многие возможности, которые нужны для полноценного программирования в учебных комплексах и тренажерно-обучающих системах. Даже наиболее совершенный в этом плане броузер, MS Internet Explorer, поддерживающий стандарты HTML 4, CSS и VRML, позволяющий использовать ряд мультимедийных форматов и имеющий наиболее развитую поддержку технологии DHTML [1], не позволяет простым путем реализовать даже нормально работающее главное меню приложения, не говоря уже о построении графиков и проведении относительно сложных математических расчетов, что является абсолютно необходимым в виртуальных лабораториях по физике. А без таких лабораторий невозможно создание полноценных учебных комплексов и тренажерно-обучающих систем по физике и различным техническим дисциплинам.
Имеется несколько путей решения данной проблемы. Самым простым решением является использование технологии ActiveX [8] с созданием внутри документа HTML окна для визуализации компонента ActiveX. При этом оказывается возможным использовать все возможности обычных программ, обходя большинство ограничений WWW-технологий. Именно по такому пути пошли разработчики Macromedia Flash [4]. Однако это не решает некоторых проблем. Во-первых, чтобы компоненты ActiveX показывались в окне броузера, требуется их регистрация на сайтах типа Verisign, что весьма дорого (порядка 2000 долларов США в год). Во-вторых, для реализации всей программы в едином стиле необходимо осуществлять весь вывод внутри окна компонента ActiveX. Но при этом нет возможности использовать преимущества WWW-технологий, так как не поддерживаются ни HTML-форматирование текста, ни работа с мультимедиа, а поддержку соответствующих возможностей требуется делать самостоятельно, как это и реализовано в Macromedia Flash [4]. Поэтому гораздо более удачным представляется использование прикладными программами возможностей Internet Explorer и мультимедийных проигрывателей как компонентов ActiveX.
Программный комплекс BARSIC и его усовершенствование
Программный комплекс BARSIC предназначен для разработки программ-приложений учебного и научного характера в области физики. Он позволяет создавать программы, предназначенные для научных расчетов, математического моделирования,
компьютерной анимации, управления компьютеризированными установками [9-11]. Одним из основных применений комплекса является создание программ учебного характера в области естественнонаучных и технических дисциплин.
Комплекс состоит из среды разработки, позволяющей создавать файлы программ-приложений, и свободно распространяемой исполняющей среды - "проигрывателя", умеющего выполнять эти приложения. Среда BARSIC позволяет создавать приложения очень малого размера (единицы килобайт), обладающих большими возможностями. Например, в язык BARSIC и, соответственно, исполняющую среду, встроены поддержка визуального проектирования, вывода двумерных и трехмерных графиков, анимация изображений. В BARSIC имеются развитые математические средства, в том числе численное интегрирование, быстрое преобразование Фурье, сингулярное разложение матриц и т.д. Благодаря этому в программу-приложение включается только вызов соответствующего кода из исполняющей среды, а не сам код, из-за чего размер исполняемого код программ становится на 1-2 порядка меньше, чем размер соответствующих программ, написанных на C++, Java, Delphi.
Такие короткие программы легко передавать через WWW. Наш опыт разработки учебных и тренажерно-обучающих WWW-систем [12-15] показал, что, несмотря на ряд несомненных достоинств WWW-технологий, по ряду пунктов они значительно уступают традиционным технологиям программирования, ориентированным на работу с локальным компьютером. Поэтому перспектива использовать в учебных и тренажерно-обучающих WWW-системах широкие возможности среды BARSIC оказалась крайне заманчивой.
С другой стороны, использование WWW-технологий не ограничивается только самой системой WWW. Как известно, преимущества WWW-форматов обеспечили их широкое использование в корпоративных сетях [16], в качестве средств документирования программного обеспечения [6] и т.п. В разрабатываемом нами мультимедийном электронном пособии по физике для 7-9 классов [17-18] для создания текстов мы использовали традиционные WWW-форматы (HTML, CSS) с небольшими вставками, написанными на языке JavaScript. Однако для виртуальных демонстраций пришлось использовать более сложную технологию DHTML [1]. В то же время при написании виртуальных лабораторных работ с выводом графиков и возможностью конструирования установок или моделей физических систем мы встретились с большими сложностями.
Нельзя сказать, что эти сложности совсем непреодолимы. Технологии ActiveX и Java в принципе позволяют с ними справиться. Наши попытки использования Java показали, что при этом скорость разработки программ резко уменьшается, а стоимость разработки сильно увеличивается. Язык Java весьма привлекателен во многих отношениях. Однако недоработанность Java и отсутствие в этом языке ряда необходимых программных средств высокого уровня делает его, с нашей точки зрения, не очень подходящим для создания таких сложных программ, как виртуальные лаборатории. А технологию ActiveX, как уже говорилось ранее, целесообразно использовать не в варианте встраивания ActiveX компонента в HTML-документ, а в варианте встраивания броузера и мультимедийного проигрывателя в программы в качестве ActiveX компонентов.
В связи с этим целью данной работы являлась разработка средств поддержки мультимедийных и WWW-технологий средой BARSIC на основе использования ActiveX компонентов броузера и мультимедийного проигрывателя.
Рис. 1. Титульный лист разрабатываемого мультимедийного электронного пособия по физике (HTML документ в приложении BARSIC)
WWW-броузер и мультимедийный проигрыватель были интегрированы в компонент Subwindow ("подокно") языка BARSIC. На рис. 1, 2 приведены примеры показа HTML документов в приложении среды BARSIC, поддерживающем работу с файлами разрабатываемого электронного мультимедийного пособия по физике для 7-9 классов.
Рис. 2. Пример мультимедийной демонстрации электронного пособия
Этот компонент первоначально был предназначен для показа графиков и анимированных изображений. В настоящее время он позволяет также загружать и показывать как файлы WWW-форматов, поддерживаемые установленным на компьютере MS Internet Explorer (HTML, XML, GIFF, JPEG, PNG и т.д.), так и мультимедийным проигрывателем MS Media Player (либо, при его отсутствии, проигрывателем ActiveMovie, встроенным в версии Windows, не имеющие встроенного проигрывателя MS Media Player).
Надо отметить, что MS Internet Explorer и MS Media Player - свободно распространяемые программные продукты и могут быть свободно установлены на компьютеры с Windows 95 и более поздними версиями Windows. Более того, MS Internet Explorer является частью операционной системы MS Windows, начиная с Windows 98, а MS Media Player - с Windows ME.
Поддержка в BARSIC работы с броузером и мультимедийным проигрывателем сделана на основе технологии ActiveX. Такое решение обладает рядом интересных преимуществ. Например, обеспечивается автоматическое использование возможностей новых версий броузеров и проигрывателей, если они окажутся установленными на компьютере. При появлении новых мультимедийных и WWW-форматов программы-приложения среды BARSIC, работающие с подобного рода файлами, не придется изменять, чтобы использовать эти форматы. Смена поддерживаемых форматов осуществляется на уровне установок броузера и мультимедийного проигрывателя, установленных в операционной системе. И чтобы использовать WWW и мультимедийные файлы новых форматов, программу-приложение среды BARSIC не надо будет перекомпилировать!
Рис. 3. HTML документ со ссылками на программы-приложения BARSIC
виртуальной лаборатории
Еще одной привлекательной чертой выбранного решения оказалась возможность запуска из HTML документа программ-приложений BARSIC, в которых
легко можно реализовать виртуальную лабораторию по физике (рис.3). На рисунках 4 и 5 приведены примеры работы некоторых из этих программ.
Рис. 4. Программа-приложение BARSIC "Всплытие пузырька"
Рис. 5. Программа-приложение BARSIC "Изучение полета тела, брошенного
горизонтально"
Рис. 6. Окно среды BARSIC player во время навигации по WWW
Одной из важных возможностей, встроенных в разработанную версию свободно распространяемой исполняющей среды BARSIC player ("проигрывателя" приложений BARSIC) является возможность навигации по WWW и запуск непосредственно из WWW документов HTML и файлов-приложений среды. На рис. 6 приведен вид исполняющей среды BARSIC во время навигации по WWW. В интерфейс главного окна "проигрывателя" встроены пункты интерпретации команд BARSIC и калькулятор, позволяющие пользоваться всеми расчетными возможностями языка BARSIC.
Рис. 7. Окно среды разработки BARSIC во время редактирования приложения
БЛЯБЮ легко позволяет создавать меню для ИТМЬ-документов. На рис. 7 приведен пример создания такого меню в среде разработки, а на рис. 8 - его использование во время работы программы-приложения.
Рис. 8 Вызов меню в исполняющей среде BARSIC во время работы
приложения
Рис. 9. Программа - конструктор "Математический маятник"
BARSIC позволяет создавать программы-конструкторы (рис. 9-11), в которых можно не только задавать параметры эксперимента, но и сохранять эти параметры, а также организовывать серии из уже заданных экспериментов. Например, можно для сравнения вывести вместе результаты колебаний маятников либо при разных длинах подвесов, либо при изменении значения g - ускорения свободного падения. Можно также сравнивать процессы при увеличении силы трения или проводить сравнение колебаний при разных типах трения (сухое или вязкое). Это позволяет резко расширить
возможности виртуальной лаборатории и не замыкаться на заранее заданных последовательностях проведения эксперимента.
Название эксперимента
Масса (ш):
Начальная угловая скорость (V): Начальный угол отклонения (а): Ускорение свободного падения (д): Длина подвеса (1):
© Отсутствует
» в шарнире Ртр=ктд
т в потенциометре Ртр=кЕпр
т Вязкое трение Ртр=-кл/
Коэффициент трения (к):
Сила прижатия в датчике (Рпр):
Радиус датчика (г):
Рис. 10. Редактирование серии в программе - конструкторе "Математический
маятник"
Рис. 11. Программа - конструктор "Связанные маятники"
Таким образом, использование среды BARSIC дает возможность преодолеть ограниченность существующих на настоящий момент WWW-технологий, дополняя их развитыми средствами построения графиков, компьютерной анимации и математического моделирования.
Литература
1. Айзекс С. DynamicHTML: пер. с англ. СПб: BHV-Санкт-Петербург, 1998. 496 с.
2. Эдди С.Э. XML: справочник. СПб:Издательство "Питер", 1999. 480 с.
3. Авраамова О Д. Язык VRML. Практическое руководство. М: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. 288 с.
4. Исагулиев К.П. Самоучитель Macromedia Flash 5. СПб: БХВ-Петербург, 2001. 368 с.
5. Фридман А. Л. Основы объектно-ориентированного программирования на языке Си++. М.:Горячая линия-Телеком, Радио и связь, 1999. 208 с.
6. Эккель Б. Философия Java. Библиотека программиста. СПб: Питер, 2001. 880 с.
7. Фаронов В.В. Delphi 5. Учебный курс. М.: Нолидж, 2000. 464 с.
8. Чеппел Д. Технологии ActiveX и OLE. М.: Русская Редакция, 1997. 320 с.
9. Монахов В.В. и др. BARSIC - интегрированная среда и язык программирования для физиков // Вестник СПбГУ. 1998. Сер. 4. №18. С.112-114.
10. Монахов В.В. и др. Автоматизированный практикум по физике. Механика. СПб: Изд. СПбГУ, 1998. 75 с.
11. Монахов В.В., Кожедуб А.В. Компьютерные лабораторные работы и демонстрации по физике с программным обеспечением на основе интегрированной среды BARSIC // Тезисы докл. V междунар. конф. "Физика в системе современного образования", СПб, 1999. Т.3. С.116-117.
12. Kozhedub A., Paramonov S., Samarin A. The Modern Educational Methods in Physics. Educational Network // Abstr. of «Physique en Herbe'99» (Oleron, France). Р.3^01)
13. Васильев В.Н., Колесников Ю.Л., Монахов В.В., Поляков А.А., Стафеев С.К. Разработка фрагментов Санкт-Петербургской региональной образовательной сети, разделы "Механика" и "Оптика" // Тез. докл. V учебно-методич. конф. "Современный физический практикум". 1998. Новороссийск. С.166-167.
14. Васильев В.Н., Колесников Ю.Л., Монахов В.В., Стафеев С.К., Смирнов А.В. Санкт-Петербургская образовательная сеть по физике и система удаленного тестирования знаний в Internet // Физическое образование в вузах. 1998. Т.4, № 4, С. 83-88.
15. Монахов В.В., Колесников Ю.Л., Стафеев С.К. Сегмент Санкт-Петербургской образовательной сети по физике - сервер тестирования знаний с элементами обучения - phys.runnet.ru // В кн. "Современные образовательные технологии". Под ред. В Н. Васильева, Ю Л. Колесникова. СПб: СПбИТМО(ТУ), 2001. 154 с.
16. Дунаев С. INTRANET-технологии. М.: Диалог-МИФИ, 1997. 288 с.
17. Степанова Г.Н., Монахов В.В., Колесников Ю.Л., Бутиков Е.И., Стафеев С.К. Программное обеспечение для компьютерной поддержки школьного курса физики // Тез. докл. V межд. конф. ФССО-99. СПб.1999. Т.3. С.132-133.
18. Колесников Ю.Л., Монахов В.В., Стафеев С.К. Электронное пособие для компьютерной поддержки школьного курса физики (7-9 классы) // Тез. докл. VI учебно-методич. конф. Стран Содружества "Современный физический практикум". Самара, 2000. С. 239-240.
