CC BY
94
УДК 004.9:621.78:54(075.8)
Филиппова Е.Б., Дикая Н.Н., Щербаков В.В., Кольцова Э.М.
Российский химико-технологическии университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИИ ЭЛЕМЕНТОВ АННОТАЦИЯ
Работа посвящена решению актуальной задачи - созданию виртуальной химической лаборатории. Выделены и проанализированы особенности разработки средствами мультимедийной платформы Adobe Flash лабораторного комплекса, предназначенного для помощи в освоении теоретического материала, самостоятельной подготовке к практическим занятиям и проведении удаленно лабораторных работ по неорганической химии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Виртуальная лаборатория; лабораторные работы; неорганическая химия; химия элементов; флэш-приложение; удаленный доступ; обучение лиц с ограниченными возможностями.
Filippova E.B., Dikaya N.N., Scherbakov V.B., Koltsova E.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia VIRTUAL LABORATORY FOR STUDY OF CHEMISTRY OF ELEMENTS ABSTRACT
The work is devoted to solution of actual task of creation of virtual chemical laboratory. Identified and analyzed features of the development tools multimedia platform Adobe Flash laboratory complex designed to assist in the development of theoretical material, independent preparation for practical classes and conducting laboratory work remotely on inorganic chemistry.
KEYWORDS
Virtual laboratory; laboratory work; inorganic chemistry; chemistry of elements; flash app; distant access; training of persons with disabilities.
Доля ИТ-образования в современном инженерном образовании неуклонно растет год от года, а информационные технологии, используемые при этом, становятся все шире и разнообразнее. Это относится и к современному химико-технологическому образованию. Для выполнения чертежеи деталеи, конструкции аппаратов, технологических схем используются графические пакеты. Разнообразные инженерные задачи решаются в мощных вычислительных средах. Множество химико-технологических процессов и систем управления ими моделируется в специализированных пакетах моделирующих программ. Для изучения динамических своиств химико-технологических объектов также используется соответствующее программное обеспечение. Компьютерное моделирование химико-технологических процессов и химико-технологических систем широко применяется при научных исследованиях, разработке новых, модернизации и оптимизации существующих химических, нефтехимических, биохимических, фармацевтических производств. Все более широкое применение находят виртуальные лаборатории, в том числе и в образовательном процессе.
Мультимедииные технологии - одни из наиболее популярных, перспективных и развивающихся информационных технологии, используемых в образовательном процессе. Учитывая также популярность подобных технологии у современнои молодежи, представляется перспективным создание и использование в учебном процессе виртуального лабораторного практикума по неорганическои химии. Он помог бы как студентам, так и преподавателям в подготовке к практическим занятиям, а также гарантировал бы освоение лабораторного практикума в полном объеме, вне зависимости от возможности его реального выполнения, то есть от готовности лабораторного оборудования, наличия реагентов, предоставляемои учебным планом часовои аудиторнои нагрузки, а кроме того подобныи практикум был бы доступен для проведения удаленного обучения лиц с ограниченными здоровьем возможностями.
На кафедре информационных компьютерных технологии Менделеевского университета в течение ряда лет ведутся работы по созданию виртуального лабораторного практикума по общей и неорганическои химии средствами мультимедиинои платформы Adobe Flash.
Идея разрабатываемои виртуальнои химическои лаборатории - мультимедииное флэш-приложение, с максимально простым, удобным и понятным пользователю интерфеисом, дающее пользователю возможность понять суть лабораторнои работы, последовательность деиствии, особенности химических превращении и демонстрируемые химические своиства элементов и их соединении.
При создании виртуального практикума ставилась задача на основе имеющегося опыта [3] реализовать не тривиальныи пошаговыи инструктаж по прохождению лабораторнои работы, а увлекательныи процесс выполнения лабораторнои работы и предложить обучающемуся полноценную виртуальную лабораторию, отражающую реалии практических лабораторных занятии.
Основные цели, преследовавшиеся при реализации приложения:
• разработка современного дизаина отображения экранного содержимого и максимально дружественного пользовательского интерфеиса, удобного как для обучающихся, так и для преподавателе^
• обеспечение максимальнои информативности всех аспектов выполняемых работ с целью усвоения и закрепления теоретических знании;
• замена примитивного кнопочного общения пользователя с приложением в процессе выполнения лабораторных работ широкими возможностями активного взаимодеиствия со всеми элементами, присутствующими в рабочеи области;
• создание атмосферы игрового процесса, позволяющего воспринимать выполнение работ как увлекательное и, в то же время, познавательное занятие;
• создание реалистичного отображения обстановки и происходящих событии, соответствующих настоящей лаборатории неорганической химии.
¿м
Рис. 1. Лабораторный журнал: А - в меню лаборатории; Б - в меню лабораторной работы
В результате анализа были выделены основные положения и пути достижения поставленных целей, которые составили основу концептуальной разработки виртуальной лаборатории [1]:
1. Для реалистичного отображения лаборатории, создан «вход» в лабораторию, и оформлен внешнии облик «лаборатории», в которои пользователь будет выполнять практические занятия;
2. С целью повышения реалистичности атмосферы работа в виртуальнои лаборатории должна
отражать все виды занятии обучающихся в реальнои лаборатории неорганическои химии, поэтому был создан виртуальньш лабораторньш журнал по аналогии с журналом наблюдении, которыи ведут студенты во время изучения даннои дисциплины (рис.1). Последовательность его заполнения соответствует последовательности заполнения реального журнала. Так, при подготовке к практическим занятиям в журнал заносятся:
название работы, список необходимого оборудования, порядок выполнения работы, ее цели, а после проведения опыта собственные наблюдения химических превращении и сделанные выводы;
3. Для обеспечения максимальнои информативности в каждои работе организовано получение кратких справок о реактивах, веществах, оборудовании и прочих элементах рабочеи области. Это позволяет расширить пользовательскии интерфеис выполнения работы, т.к. вся рабочая область становится интерактивнои, а это, в свою очередь, позволяет оперативно получать ответы на возникающие по ходу работы вопросы, и, следовательно, повышает интерес обучающегося к процессу (рис. 2);
Рис. 2. Внешний интерфейс лабораторного практикума
4. Для повышения привлекательности учебного процесса в практикум внесен игровои компонент - в процесс выполнения лабораторных работ введен игровои персонаж. Внедрение в процесс общения приложения с пользователем виртуального помощника помогает лучше координировать его деиствия, а так же позволяет чувствовать себя свободнее и увереннее, с большим интересом вникать в процесс работы. Незамысловатым персонаж - профессор Неорхим на протяжении всего лабораторного практикума находится рядом с обучающимся и помогает ему в выполнении лабораторных работ;
5. Учитывая, что разработка всего практикума [2], включающего более двух сотен лабораторных экспериментов и опытов, составляет большои объем работы, которыи не может быть проделан в короткие сроки, выполнены наиболее важные, базовые шаги по разработке программного обеспечения: создан готовыи набор используемых в лаборатории инструментов, посуды и оборудования, анимации реакции, которые занесены в единую библиотеку символов для их дальнеишего использования; максимально универсализирован код, простои и доступныи для приемников разработки - выявлены основные группы элементов, дифференцированы принципы их работы, что нашло свое отражение в программном коде. Определены четыре основные группы рабочих элементов и для всех них выделены универсальные принципы взаимодеиствия объектов друг с другом. При этом учтено, что все объекты в лабораторных работах подвижны, а потому для них всех нужен универсальным принцип перемещения по сцене. Кроме того, разработана система проверки тестовых задании в лабораторном журнале и внедрена система запуска созданных анимации реакции. Выделенные универсальные принципы взаимодеиствия объектов друг с другом приведены в таблице 1, а группы рабочих элементов и их отличительные особенности - в таблице 2. На рис. 3-6 представлены блок-схемы, реализующие указанные универсальные принципы [4];
6. Следующии шаг концептуальнои разработки виртуальнои лаборатории - необходимость обеспечения освоения обучающимися работы в лаборатории: способность ориентирования в пространстве лаборатории, начало работы, ход ее выполнения, открытие и листание журнала, его заполнение результатами наблюдении, переход от работы к работе и т.д. Для
решения этои задачи разработана подробная инструкция, размещенная перед входом в лабораторию;
7. Итоговые законченные блоки работ объединены с разработанными ранее блоками лабораторных работ по курсу «Общая химия» [3], что дает возможность представить виртуальныи лабораторныи практикум как полноценную разработку по курсу практических занятии кафедры общеи и неорганическои химии.
Таблица 1. Универсальные принципы взаимодействия объектов
друг с другом и их назначение
Название принципа Назначение
Универсальным принцип перемещения объектов Служит для организации передвижения всех объектов рабочеи зоны по ее окрестностям
Универсальныи принцип взаимодеиствия объектов OvO (Объект1-Объект2) Обеспечивает простое взаимодеиствие двух объектов относительно друг друга, основанное на взаимном изменении положения на сцене
ODvO (Объект1&Действие -Объект2) Обеспечивает усложненное взаимодеиствие объектов относительно друг друга, в результате которого объект №1 должен исполнить заложенное в него деиствие
ODvOD (Объект1& Деиствие -Объект2&Действие) Обеспечивает сложное взаимодеиствие двух объектов, при совершении которого каждыи объект должен выполнить заложенное в него деиствие
Универсальныи принцип запуска анимации реакции Служит для инициализации типа реакции и вывода ее визуальнои анимации
Универсальныи принцип проверки задании в лабораторном журнале Служит для проверки тестовых задании в лабораторном журнале, обрабатывая введенные данные, сравнивая их с правильными, и выводя полученныи результат
Итак, разработанный виртуальный лабораторный практикум включает:
• многофункциональную мультимедийную оболочку, адекватную реалиям химической лаборатории;
• шесть блоков из 36 работ по общей химии и восемь блоков из 106 работ по неорганической химии, посвященных изучению свойств элементов IA - VIA групп и их соединений. Работы выполнены с использованием программного продукта AdobeFlash Professional CS6 на языке программирования ActionScript 3.0 и представлены в виде скомпилированных файлов формата *.swf. Готовые флэш-файлы можно просматривать через программу воспроизведения AdobeFlashPlayer, как правило, встроенную в качестве плагина в интернет-браузеры, такие как InternetExplorer, Яндекс.Браузер, Opera, GoogleChrome, MozillaFirefox. Наиболее предпочтительным является GoogleChrome;
• краткие сведения обо всех элементах, реактивах и оборудовании, используемых в ходе выполнения работ;
• блок тестовых заданий для самоконтроля степени усвоения пройденного материала;
• игрового персонажа - виртуального помощника, который направляет ход работ и помогает их выполнять. Его реплики представлены в виде титров, а также звучат в аудиосопровождении;
• подробную инструкцию по работе с практикумом и его функционалом.
Практикум предназначен для самостоятельной подготовки как студентов, так и преподавателей к практическим лабораторным занятиям. Он позволяет получить и закрепить теоретические знания по общеи и неорганическои химии, а также выработать необходимые полезные практические навыки работы в лаборатории, ознакомиться с лабораторным
оборудованием и методами работы с ним. Лабораторные работы в составе виртуального практикума обладают необходимои детализациеи и реалистичностью изображении, визуализациеи изменении агрегатного состояния продуктов реакции и имеют высокую точность передачи цветовои гаммы растворов веществ.
Организация и оформление работ в среде виртуального практикума позволяют наглядно представить процесс, происходящии в реальнои лаборатории, требуют от обучающегося определенных последовательностеи деиствии и расчетов верных промежуточных данных, дают возможность проверки конечных результатов работы и оценки степени освоения учебного материала. Таким образом, данныи виртуальныи лабораторныи практикум способствует повышению эффективности учебного процесса и облегчению формирования у студентов соответствующих базовых профессиональных навыков и компетенции.
Таблица 2. Группы активных рабочих элементов лабораторного практикума
Название группы Наименования объектов Функционал Принцип взаимодеис твия
Простые объекты Пробка (открывает и закрывает склянку), воронка (вставляется в колбу для переливания веществ), кусочки металлов (захватываются пинцетом и переносятся в тигель) и т.п. Объекты не несут в себе никаких деиствии, они просто перемещаются по сцене, меняя свое местоположение относительно других объектов ОУО
Объекты захвата и переноса Пинцет (дотрагиваясь до кусочка металла, захватывает его), щипцы (дотрагиваясь до пробирки, захватывает ее), ложечка (дотрагиваясь до соли в тигле, зачерпывает ее часть) Объекты, совершив взаи-модеиствие с определенно-го рода объектом производят захват этого объекта для его дальнеишего перемещения по сцене ODvOD
Объекты реакции Пробирка (при смешении двух растворов запускает анимацию реакции изменения цвета), тигель (при нагревании над горелкои запускает анимацию реакции горения), горелка (при взаимодеиствии с нихромовои спиралью с раствором соли изменяет цвет пламени), чашка Петри (при взаимодеиствии с кусочком металла запускает анимацию реакции с выделением газа) Объекты, провзаимодеиствовав с определенными объектами, должны выполнить заложенное в них деиствие (в большеи части, это запуск анимации реакции) ODvO
Объекты-исполнит ели Пипетка (совершая взаимодеиствие, запускает анимацию «капания» и хранит в себе информацию о выбраннои соли, передавая эту информацию в главныи исполняющии код), лучинка (провзаимодеиствовав с горелкои загорается), шпатель (провзаимодеиствовав с пробиркои, запускает анимацию размешивания), пестик (взаимодеиствует с содержимым ступки, запускает анимацию дробления) Совершив взаимодеиствия с необходимыми по условиям объектами, выполняют заложенное в них простое деиствие (запуск определеннои анимации деиствия) ODvO
Рис. 3. Блок-схема универсального принципа передвижения объектов
Рис. 4. Блок-схема универсального принципа взаимодействия объектов
Практикум находится в открытом доступе на Учебном портале РХТУ в модульнои объектно-ориентированнои среде обучения Moodle.
Его электронный адрес: http://moodle.muctr.ru/course/view.php7icN144.
Рис.6. Блок-схема универсального принципа проверки заданий в лабораторном журнале
В настоящее время осуществляется апробация разработанных блоков лабораторных работ, корректируются выявленные в ходе нее несоответствия, повышается детализация и реалистичность изображении, а также продолжается разработка новых блоков работ. Поэтому широкая реклама и повсеместное внедрение в учебныи процесс представляются преждевременными. Однако, анализ статистики посещения виртуальнои химическои лаборатории (рис. 7) показал устоичивыи интерес к неи не только студентов РХТУ но и учащихся других учебных заведении, в том числе и школьников. Ежемесячно им пользуются от 150 до 300 человек.
ю ■4) Ф 45 ф
а а 8 8 a a a
о о а ТЙ я а е Q. с
J У а 1 1
и о ± 1 К s 9 <
2. 3.
| Большие файлы | Гость Щ Студент
| Преподаватель Щ Все
Рис. 7. Статистика посещения виртуальной химической лаборатории
Литература
Кольцова Э.М., Сиплатова Е.А., Филиппова Е.Б. Особенности разработки виртуального лабораторного практикума по неорганической химии // Информационные ресурсы России. - 2015, №3. - С. 33-36 Практикум по неорганической химии / Воробьев А.Ф. [и др.]. М: ТИД «Альянс», 2004. 249 с.
Разработка виртуального лабораторного практикума по дисциплине «Общая химия»//Материалы XV межвуз. уч-метод. конфер. «Актуальные проблемы химико-технологического образования» /Кобякова И.А. [и др.]. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013, С. 70.
Разработка виртуального лабораторного практикума по неорганической химии «Химические свойства элементов групп IA, IIA, IIIA, IVA и их соединений» / Сиплатова Е.А. [и др.]. Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Т. 28, № 1. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2014. - С. 60-63.
References
1.
2. 3.
4.
Kol'cova Je.M., Siplatova E.A., Filippova E.B. Osobennosti razrabotki virtual'nogo laboratornogo praktikuma po neorganicheskoj himii // Informacionnye resursy Rossii.-2015, №3. - S. 33-36 Praktikum po neorganicheskoj himii / Vorob'ev A.F. [i dr.]. M: TID «Al'jans», 2004. 249 s.
Razrabotka virtual'nogo laboratornogo praktikuma po discipline «Obshhaja himija»//Materialy XV mezhvuz. uch-metod. konfer. «Aktual'nye problemy himiko-tehnologicheskogo obrazovanija» /Kobjakova I.A. [i dr.]. M.: RHTU im. D.I. Mendeleeva, 2013, S. 70.
Razrabotka virtual'nogo laboratornogo praktikuma po neorganicheskoj himii «Himicheskie svojstva jelementov grupp IA, IIA, IIIA, IVA i ih soedinenij» / Siplatova E.A. [i dr.]. Uspehi v himii i himicheskoj tehnologii: sb. nauch. tr. T. 28, № 1. - M.: RHTU im. D. I. Mendeleeva, 2014. - S. 60-63.
Поступила 21.10.2016
Об авторах:
Филиппова Елена Борисовна, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных компьютерных технологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, [email protected];
Дикая Надежда Николаевна, кандидат химических наук, доцент кафедры общеи и неорганическои химии Россииского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева;
Щербаков Владимир Васильевич, доктор химических наук, профессор кафедры общеи и неорганическои химии Россииского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева;
Кольцова Элеонора Моисеевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрои информационных компьютерных технологии Россииского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.
