РАЗРАБОТКА ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ БРАУЗЕРНОЙ ВЕРСИИ ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.9:378.147.88 Алясева В.В., Васецкий А.М.

РАЗРАБОТКА ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ БРАУЗЕРНОЙ ВЕРСИИ ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Алясева Виктория Владимировна - магистрант 1-го года обучения кафедры информационных компьютерных технологий; vika_alyaseva@mail.ru.

Васецкий Алексей Михайлович - старший преподаватель кафедры информационных компьютерных технологий; amvas73@narod.ru.

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В статье рассмотрена разработка платформы для браузерной версии виртуального лабораторного практикума по общей и неорганической химии. Создание велось с помощью межплатформенной среде разработки Unity3D. Показаны принципы создания проекта и возможности по его расширению. Также рассмотрены перспективы применения проекта в рамках цифрового образования. Ключевые слова: виртуальная лаборатория, моделирование, Unity3D.

DEVELOPMENT OF A PLATFORM FOR A BROWSER VERSION OF A VIRTUAL LABORATORY

WORKSHOP ON GENERAL AND INORGANIC CHEMISTRY Alyaseva V.V1, Vasetsky A.M.1

1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The article considers the development of a platform for a browser-based version of a virtual laboratory workshop on general and inorganic chemistry. The creation was carried out using the Unity3D cross-platform development environment. The principles of creating the project and the possibilities for its expansion are shown. The prospects for applying the project within the framework of digital education are also considered. Keywords: virtual laboratory, modeling, Unity3D.

Введение

Повсеместное введение цифрового образования затронуло все дисциплины, включая естественнонаучные, в особенности - химию. Необходимость выполнения экспериментальной части во время обучения привела к созданию виртуальных лабораторных практикумов в различных странах и университетах мира. К примеру, OLABS от MeitY [1] или ChemCollective [2], однако у большинства проектов отсутствует структуризация и каталогизация, а также выбор тем сильно ограничен, что не позволяет в полной мере ознакомиться с выбранным химическим направлением. Все это привело к созданию проекта нового лабораторного практикума, который охватывал все основные направления общей и неорганической химии в полной мере. На данном этапе реализован весь блок из шести работ по изучению свойств металлического алюминия, две другие работы относятся к разделу «изучение свойств щелочных и щелочноземельных металлов». Методология создания практикума

Требовалось спроектировать универсальный подход к созданию лабораторных работ для ускорения реализации проекта и минимизации требований к аппаратному обеспечению для запуска готовой программы. Для этого была выбрана кроссплатформенная среда разработки ШйуЗБ [3]. Для полноты охвата изучаемого материала и его структуризации работы были реализованы по «Практикуму по неорганической химии» [4].

Сама платформа включает в себя совокупность 3D-модели, анимации эффектов, динамические свойства объектов и сценарии поведения. Для достижения максимальной реалистичности наблюдаемых экспериментов модели создаются в трехмерном пространстве. Динамические объекты

Динамические свойства объектов задаются кодом, написанном на языке С#, он позволяют задавать новые качества моделям, а также менять уже существующие в Unity. Часть свойств сделаны открытыми для возможности их изменения через графическую часть интерфейса, что позволяет упростить дальнейшую настройку свойств в различных лабораторных работах. Эти свойства позволяют как изменять характеристики самого объекта такие, как размер, позицию, материал и многие другие, так и описать условия и возможность взаимодействия определенных объектов между собой. Например, при соприкосновении капли раствора с колбой изменяется размер дочернего объекта «жидкость» внутри нее. Универсализм кода проявляется в возможности настройки отдельных параметров, что позволяет применять одни и те же объекты без изменений кода в разных экспериментах.

Динамические модели, участвующие в лабораторных работах: пипетка, спираль, пламя, пробирка, пинцет, щипцы и шпатель. Они реализуют свойства, которые позволяют провести или показывают качественное проведение реакции.

Основные свойства, необходимые для реализации лабораторных работ приведены ниже:

• Смена цвета. Протекает плавно, но имеет параметр, позволяющий контролировать скорость. Используется встроенный статический метод класса Color - Color.Lerp(Color a, Color b, float t), где а -исходные цвет объекта, b - новый цвет, передается параметрически, t -шаг в промежутке между нулем и единицей, позволяет регулировать скорость смены.

• Выпадение осадка. Контейнер (место проведения реакции) обращается к дочернему объекту осадок с помощью метода transform.GetChild(int index), где index - номер дочернего объекта, считая от нуля. Затем вызывается переменная localScale, содержащая масштаб объекта по отношению к родительскому, потом вызывая статический метод Lerp (Vector3 a, Vector3 b, float delta), где а - начальные размеры объекта, b -конечные, в которых увеличиваем координату z (высота). Универсализм достигается передачей параметров b и delta - высоты, на которую следует увеличить, а также цвета выпадаемого осадка.

• Растворение осадка. Функция по реализации аналогичная выпадению, но передаваемым объектом является только delta, контролирующий скорость растворения.

• Выделение газа. Создает в контейнере дочерний объект, являющейся системой частиц, состоящей из пузырьков. Задание lifetime (время жизни) и ограничение одновременного числа частиц позволяет контролировать интенсивность протекания процесса.

• Перенос одного оборудования другим. Выполняется следующим способом: при активации

триггер (OnTriggerEnter) захватывающий объект устанавливает себя в качестве родительского для захватываемого с использованием метода transform.SetParent(this). Благодаря чему в дальнейшем переноситься мышью с родителем. При активации триггера контейнера передает этот объект ему с помощью того же метода. Создание лабораторной работы

Формирование непосредственно лабораторных работ происходит путем комбинирования существующих моделей с их свойствами и заданием параметров, определенных по условию проведения работы, дальнейшее взаимодействие идет по заданному сценарию. Сценарий - это некоторая последовательность действий пользователя и реализация визуальных эффектов при реагировании на них. Условие взаимодействия отдельных объектов между собой, а также возможность протекания реакций и отображение видимого результата определяется управляющей программой -сценарием. Пример данного алгоритма для работы «Гидролиз соединений алюминия» представлен на рис. 1.

Таким образом, после подготовки объектов, формирование непосредственно лабораторных работ сводится к переносу подготовленных моделей со скриптами в рабочую область, настройки отдельных параметров на графической интерфейсной части Unity и добавлению перечня реакций в файл сценария, что упрощает процесс разработки платформы. Типовое рабочее место представлено на рис.2.

_г

гашетки с

Al2fSQ4>3

т

1

Окпдаяпе взятия штетжн с А1С13

Г

Ожлдинпе- тлягна шагспш с A12{SQ4)3

Ожидание взятия шгютжл с Л1С1Э

X

J

Ожидание

капля AI2(S04)3 _п пробдргу_

1

Ожпдвиив попяданих капли AICJD в прЫнщну

Ожндннне iiwiHiiHKiiM жшттг AL2CS04>3 шмбиду

Ожпдлкпе □юпаднипы хашш AICI3 н

Передать тег дробирие

Породить тег пробирке

Передача камостооннык параметров реакции и их свойств (осадок,га^ и из)

Наблюдение на эффектами

Рис.1 Блок-схема сценария лабораторной работы «Гидролиз соединений алюминия»

С программной точки зрения требуется в скрипте level добавить наборы исходных реактивов, списки реактивов и/или манипуляций, к примеру, нагрев, для проведения заданных реакций, а также перечень видимых эффектов реакции в т.ч. выделение газа, осадка, изменение цвета.

Применение практикума и дальнейшее развитие

В условиях повсеместного введения цифрового образования виртуальный лабораторный практикум может широко использоваться студентами в процессе обучения. Его использование позволит студентам наглядно подготовиться к лабораторным работам по общей и неорганической химии и провести виртуальные эксперименты для лучшего усвоения материала.

Также практикум имеет большой потенциал развития. Его модульность позволяет создавать новые лабораторные работы в кратчайшие сроки, а простота платформы позволяет быстро добавлять новые объекты и необходимые свойства. Помимо расширения числа работ по общей и неорганической

химии, существует возможность создания работ по другим химическим направлениям в т.ч. органической и физической химии.

Список литературы

1. OLABS Funded by MeitY Ministry of Electronics and Information Technology [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.olabs.edu.in/ (дата обращения 17.12.2020)

2. Yaron David, Freeland Rea, Uses of a Flexible Virtual Laboratory Simulation in Introductory Chemistry Courses [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://chemcollective.org/home (дата обращения 20.11.2020)

3. Unity, платформа разработки в режиме реального времени [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://unity.com/ru (дата обращения 18.12.2020)

4. Практикум по неорганической химии. Под ред. Воробьева А. Ф. и Дракина С. И. М.: Химия, 1984. 248с.