Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов

Тип:
Добавлен:

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»

Факультет информационных технологий и управления

Кафедра информационных компьютерных технологий

Выпускная квалификационная работа бакалавра

По направлению: «Информационные системы и технологии»

На тему: «Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов»

Содержание

Введение

. Литературный обзор

.1 Использование информационных технологий в образовании

.2 Системы дистанционного обучения

.3 Виртуальные лаборатории

.4 Мультимедийная платформа Adobe Flash

. Теоретическая часть

.1 Задачи и содержание практикума по общей химии

.2 Состав виртуального лабораторного практикума по общей химии

.3 Критический анализ ранее разработанных практикумов

.4 Постановка задач по переработке и совершенствованию практикума

. Практическая часть

.1 Этапы разработки виртуального лабораторного практикума

.2 Устранение недостатков, оптимизация кода, разработка компонентов

.3 Разработка лабораторного комплекса

.4.Пример лабораторной работы

.5 Руководство программиста

Выводы

Список литературы

Приложения

Введение

Современные информационные технологии, хотя и были созданы не для нужд системы образования, приводят к революционным изменениям в образовательном процессе. Образование, вслед за другими областями, быстро и уверенно встраивается в сетевой мир. Среди учебных заведений наиболее активно информационные технологии внедряются в высших учебных заведениях. Это обусловлено следующими причинами. Содержание образования все труднее совместить с ограниченным временем обучения. Тяжело одновременно сохранять традиции и быть на переднем крае науки. Исчерпывают себя традиционные формы обучения, но и возможности их модернизации ограничены. Необходимо соблюдать общие требования образовательных стандартов и учитывать индивидуальные способности каждого студента. С учащимися, несмотря на взрослый возраст и осознанный выбор, необходимо вести организационно-воспитательную работу, используя коммуникационные возможности информационных технологий. Поэтому информационные технологии существенно обогащают деятельность вузов, расширяют доступность образования, позволяют внедрять новые подходы к обучению, развивать творческие и профессиональные навыки. организовывать учебно-воспитательный процесс. Таким образом, в последние годы информационные компьютерные технологии все в большей степени внедряются в образовательный процесс, решая актуальные методические задачи и другие проблемы современного отечественного образования.

Среди целей образовательного процесса важное место занимает постановка самостоятельной работы студентов. Развитию такой самостоятельной деятельности, в частности, способствуют технологии дистанционного обучения. Данные технологии важны при различных видах занятий и форм обучения. Среди таких технологий выделяются виртуальные лабораторные комплексы, с помощью которых закрепляются основные понятия по лабораторному практикуму, требования техники безопасности, умение проводить опыты и ставить эксперименты, выполнять расчеты, делать выводы и другие умения и навыки. Такие комплексы незаменимы при отсутствии доступа к реальной лаборатории, оборудованию и установкам, посуде и реактивам. Их основным недостатком является отсутствие непосредственного контакта, ощущения органами чувств, навыков, приобретаемых руками. Применение flash-технологий, благодаря правдоподобной анимации частично устраняет названный недостаток, создавая воображение присутствия, эффект собственного участия и давая возможность наблюдения за процессом.

На кафедре ИКТ в последние годы разрабатывается виртуальный лабораторный практикум для кафедры ОНХ общей и неорганической химии (ОНХ). Дипломники Студенты кафедры ИКТ разработали больше сотни значительную часть лабораторных работ и интегрировали их в единый виртуальный практикум. Все это способствует повышению эффективности учебного процесса и облегчению формирования у студентов соответствующих навыков и компетенций. Несмотря на то, что данные лабораторные работы широко используются на кафедре ОНХ, со временем обнаруживаются их недостатки и накапливаются пожелания. Наибольшее число таковых относится к виртуальным лабораторным работам по общей химии. Следовательно, назрела необходимость в выявлении и устранении недостатков в интерактивных лабораторных работах по общей химии, а так же их совершенствовании.

AMVAS - Цели и задачи подкорректировать, чтобы были идентичны слайдам

Целью данной дипломной работы является:

·Разработать в среде Adobe Flash набор интерактивных компонентов для использования в виртуальных лабораторных практикумах, существенная качественная переработка и доработка виртуальных лабораторных работ по общей химии посредством исправления и оптимизации программного кода, добавления новых интерактивных компонентов, расширения функционала и возможностей.

Согласно цели дипломной работы были поставлены следующие задачи:

·освоение методики и стилистики ранее созданных лабораторных работ виртуального лабораторного практикума как по общей, так и по неорганической химии, для сохранения в дорабатываемых блоках единства стиля и реализации воплощенных возможностей;

·разбор сценариев выполнения лабораторных работ по общей химии и знакомство с программным кодом этих работ для проведения критического анализа;

·выделить стандартные компоненты, которые могут быть использованы для виртуальных практикумов. Формализовать алгоритмы операций с данными компонентами;

·переработка имеющегося программного кода для устранения недостатков и его оптимизации, разработка недостающего программного обеспечения для расширения функционала и возможностей;

·создать программные коды, реализующие основные операции с компонентами. Сформировать виртуальную лабораторную работу с использованием настраиваемых параметров интерактивных компонентов

·объединение в единый виртуальный практикум переработанных блоков работ с разработанными ранее блоками работ по дисциплинам «Общая химия» и «Неорганическая химия».

1. Литературный обзор

1.1 Использование информационных технологий в образовании

Современные информационные технологии, хотя и были созданы не для нужд системы образования, приводят к революционным изменениям в образовательном процессе. Образование, вслед за другими областями, быстро и уверенно встраивается в сетевой мир. Среди учебных заведений наиболее активно информационные технологии внедряются в высших учебных заведениях. Это обусловлено следующими причинами. Содержание образования все труднее совместить с ограниченным временем обучения. Тяжело одновременно сохранять традиции и быть на переднем крае науки. Исчерпывают себя традиционные формы обучения, но и возможности их модернизации ограничены. Необходимо соблюдать общие требования образовательных стандартов и учитывать индивидуальные способности каждого студента. С учащимися, несмотря на взрослый возраст и осознанный выбор, необходимо вести организационно-воспитательную работу, используя коммуникационные возможности информационных технологий. Поэтому информационные технологии существенно обогащают деятельность вузов, расширяют доступность образования, позволяют внедрять новые подходы к обучению, развивать творческие и профессиональные навыки. организовывать учебно-воспитательный процесс.

Как считают специалисты, занимающиеся проблемами совершенствования высшего Российского образования, применение современных информационных технологий при обучении фундаментальным дисциплинам способно решить многие проблемы [1].

Чтобы успешно включить эти технологии в учебный процесс необходимо учесть некоторые факторы:

● преподавателей нужно подготовить к разработке, реализации и коррекции того учебно-методического обеспечения, в котором задействованы информационно-технические средства обучения;

● необходимо разными способами простимулировать интерес студентов и учесть их потребность в разнообразных формах взаимодействия;

● необходима поддержка благоприятной атмосферы в процессе взаимодействия на занятиях;

● надо обоснованно сочетать традиционные и интерактивные форм организации занятий [2].

Современные информационные технологии дают возможность преподавателю, не обладающему навыками программирования, создавать весьма интересные обучающие интерактивные видеоролики и мультимедийные тренажеры, проводить тестирование студентов и осуществлять обратную связь с целью выявления наиболее тяжелых с точки зрения студентов тем курса. Также следует выделить важную с точки зрения интерактивности возможность предложить инструменты для организации групповой и коллективной деятельности, предоставляемую облачными технологиями. Интерактивное обучение способствует развитию навыков общения, позволяет осознавать значение группового опыта, обучает контролю своего участия в работе группы, уважению ценностей и правил, принятых группой, обоснованию своего мнения и отстаиванию собственной позиции. Таким образом, информационное обеспечение вместе с интерактивным обучением, стимулирует активность студентов в процессе их профессионального образования [1].

Имеются различные мнения по поводу мультимедийной поддержки преподавания дисциплин, требующих изображения химических формул или сложных схем превращений. Представители сугубо традиционных форм обучения считают, что только в том случае, когда лектор последовательно изображает формулы мелом на доске, студент способен усвоить логику изложения материала, закрепление которого предполагает дальнейшую работу с литературой [3]. В этих доводах содержится определенный смысл, но современные студенты приучены не столько к получению информации из печатных источников, сколько к возможностям электронных ресурсов. По сути, поменялся стереотип получения информации: современные студенты свободно владеют компьютером, не испытывая при этом психологических и иных барьеров, свойственных людям старшего поколения, и при приобретении каких-либо новых знаний не нуждаются в бумажном носителе информации [4]. Также, анкетирование студентов показывает, что многие из них предпочитают работать именно с интерактивными видеороликами, а не с электронными текстами [5]. На основе анкетирования также можно сделать вывод, что при чтении лекций уже недостаточно использовать только электронные презентации и мультимедиатехнологии. Необходимо активно внедрять сетевые интерактивные технологии в самостоятельную учебную работу студентов [6].

Таким образом, в последние годы информационные компьютерные технологии все в большей степени внедряются в образовательный процесс, решая актуальные методические задачи и другие проблемы современного отечественного образования.

1.2 Системы дистанционного обучения

Дистанционное обучение - это процесс взаимодействия преподавателя и учащихся между собой на расстоянии, отражающий все присущие учебному процессу компоненты (цели, содержание, методы, организационные формы, средства обучения) и реализуемое специфичными средствами Интернет-технологий или другими средствами, предусматривающими интерактивность [7].

Дистанционное обучение - это самостоятельная форма обучения, в которой информационные технологии (ИТ) являются ведущим средством [8].

Современное дистанционное обучение построено с помощью применения таких главных компонентов, как:

·среда передачи данных (почта, телевещание, радиовещание, коммуникационные сети);

·методы, зависящие от технической среды обмена данными.

Цель дистанционного обучения заключается в интеграции информационных и образовательных технологий, что обеспечивает интерактивность взаимодействия студентов и высокую продуктивность распределенного учебного процесса.

К задачам создания системы дистанционного обучения относится разработка информационно-обучающей среды с целью организации дистанционного учебного процесса и сетевых технологий интерактивного взаимодействия пользователей.

В современную эпоху технологий разработка и внедрение систем дистанционного обучения становится особенно важным, так как именно эти системы имеют все шансы максимально правильно и гибко отвечать на нужды социума в образовании.

При управлении ходом обучения все без исключения обучающие системы подразделяются на те, где управление процессом возложено на пользователя, и те, где оно возложено на обучающую систему.

К системам первого класса можно отнести электронный учебник или методическое пособие с последовательной структурой, электронный учебник или методическое пособие с гипертекстовой структурой, полнотекстовая база данных, электронная библиотека, мультимедийный электронный учебник или методическое пособие, электронный учебник или методическое пособие со средствами рубежного контроля. Система может обладать свойствами мультимедийных систем.

Ко второму классу относятся обучающие системы, где ответы и действия обучаемого влияют на дальнейший ход процесса обучения. Степень управления учебным процессом непосредственно зависит от степени адаптации системы под конкретную группу обучающихся. поэтому обучающие системы данного класса разделяются на подклассы по степени их адаптивности и способами реализации адаптации: автоматизированная обучающая система с линейной моделью обучения, автоматизированная обучающая система с разветвленной моделью обучения. автоматизированная обучающая система с адаптацией по форме изложения, автоматизированная обучающая система с адаптацией по логике изложения, мультиагентная автоматизированная обучающая система с адаптацией по объекту и целям обучения [9].

К достоинствам дистанционного образования можно отнести и то, что скорость обучения устанавливается самим учащимся, он в состоянии выбрать любой элемент курса, самостоятельно запланировать время, место и продолжительность занятий. Также дистанционное обучение не связано с географическим и временным положением студента и вуза. С его помощью легко реализовать обратную связь. Оно дает возможность использовать новейшие достижения информационных и телекоммуникационных технологий. Дистанционное образование предоставляет равные возможности независимо от состояния здоровья и материальной обеспеченности.

Но необходимо отметить и его минусы. Например, отсутствие очного общения, включающего воспитательные моменты, индивидуальный подход, эмоции. Необходима самодисциплина, самостоятельность и сознательность студента. Нужен постоянный доступа к источнику информации, хорошая техническая оснащенность, недостаток практических занятий и навыков. Отсутствует постоянный контроль, который для русского менталитета является мощным побудительным стимулом. Материалы не всегда достаточно хорошо разработаны. Необходимо излагать знания только в письменной форме.

В 2014 году в России начался валютный кризис, в связи с чем увеличились цены на лабораторное оборудование, учебные пособия, возросли траты на обеспечение высшего и профессионального образования. Исходя из этого, можно сделать вывод о необходимости введения дистанционного обучения в систему образования России. [10].

1.3 Виртуальные лаборатории

Виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты при полном отсутствии реальной установки [11]. Доступ к виртуальной лаборатории осуществляется через компьютер, в том числе и по сети Интернет. В большинстве случаев, виртуальные лаборатории представляют собой сборники лабораторных работ, нацеленных на внедрение в образовательный процесс для проведения полноценных виртуальных лабораторных практикумов.

Виртуальный лабораторный практикум - вид проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых процессов с виртуальным взаимодействием учащегося с лабораторным оборудованием. Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием.

Основным преимуществом виртуальных лабораторий является отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования и реактивов. Из-за недостаточного финансирования во многих лабораториях установлено старое оборудование, которое может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Кроме того, в таких областях как химия кроме оборудования требуются также расходные материалы (реактивы), стоимость которых достаточно высока. Разумеется, компьютерное оборудование и программное обеспечение также стоит недешево, однако универсальность компьютерной техники и ее широкая распространенность компенсируют этот недостаток. Также к преимуществам следует отнести возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях. Также современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц [12]. Имеется возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет. Немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами является безопасность. В связи с тем, что управлением виртуального процесса занимается компьютер, появляется возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров, что часто необходимо для определения зависимостей выходных параметров от входных. Существенное значение имеет экономия времени и ресурсов для ввода результатов в электронный формат. Некоторые работы требуют последующей обработки достаточно больших массивов полученных цифровых данных, которые выполняются на компьютере после проведения серии экспериментов. Слабым местом при использовании реальной лаборатории является ввод полученной информации в компьютер. В виртуальной лаборатории этот шаг отсутствует, так как данные могут заноситься в электронную таблицу результатов непосредственно при выполнении опытов экспериментатором или автоматически. Таким образом, экономится время и значительно уменьшается процент возможных ошибок. И, наконец, отдельное и важное преимущество заключается в возможности использования виртуальной лаборатории в дистанционном обучении, когда в принципе отсутствует возможность работы в лабораториях университета.

Составной частью виртуальной лаборатории является понятие виртуального инструмента - набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории - эффективный графический интерфейс пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим взаимодействия с компьютером в виде наглядных графических образов предметной области. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора. С помощью мыши можно имитировать воздействия на понятные органы управления - кнопки, переключатели, регуляторы и т.д., изображенные на экране монитора в виде передней панели имитируемого прибора.

Одна из целей создания виртуальных лабораторий - стремление к всесторонней визуализации изучаемых процессов, а одна из главных задач - обеспечение возможности подготовки обучаемого к наиболее полному восприятию и пониманию их сущности [13].

Задачами виртуальной компьютерной лаборатории являются·освоение сложного корпоративного и другого программного обеспечения, выполнение своего цикла задач создания виртуальных серверов развертывание и настройка программного обеспечения, а также его использования на проблемно-ориентированных практических примерах, позволяющих формировать профессиональные компетенции и развивать конструктивное, аналитическое и системное мышление студентов [14];·внедрение в практику учебного процесса университета открытых продуктов и информационных технологий [15];·выполнение практических заданий в рамках семинарских занятий;·предоставление возможности удаленного использования корпоративного программного обеспечения и другого программного обеспечения, используемого в учебном процессе, для самоподготовки;·проведение занятий по повышению квалификации; подготовка школьников, студентов и аспирантов к участию в выступлениях на конференциях и конкурсах различного уровня с публикацией результатов научно-исследовательских работ [16].

К сожалению, количество существующих на данный момент виртуальных лабораторий, применяющихся в учебном процессе, довольно мало. Это связано, в первую очередь, с дороговизной их разработки, что приводит к следующим последствиям: Виртуальные лаборатории, разработанные профессиональными программистами, дизайнерами и специалистами в моделируемой области, стоят очень дорого, что мешает их широкому распространению. С другой стороны, малые возможности распространения создают малые стимулы для их производства. Создание виртуальных лабораторий непрофессионалами может привести к удовлетворительным результатам лишь при моделировании узкого класса явлений. Их распространение связано с невысокой стоимостью и практическим отсутствием альтернатив. Рассмотрим наиболее распространенные виртуальные лаборатории.- проект по разработке виртуальных лабораторных работ для учащихся по физике, химии, биологии, экологии. Виртуальные лабораторные работы реализованы при помощи технологии Flash. Отличаются узкой специализацией, в большинстве случаев линейностью опыта (вся последовательность действий и результаты опыта заданы заранее). Продукты VirtualLab имеют познавательную ценность и решают задачу проведения лабораторных работ при отсутствии необходимого оборудования [17].(Software Tools for Academics and Researchers) - программа Массачусетского технологического института (MIT) по разработке виртуальных лабораторий для исследований и обучения. Деятельность программы заключается в разработке обучающих и исследовательских приложений по общей биологии, биохимии, генетике, гидрологии, в области распределенных вычислений. Большинство приложений реализованы в java либо в html [18].- программа, предназначенная для физических 2D симуляций. Имеет очень богатый инструментарий для создания различных объектов, механизмов и систем с целью моделирования их физического взаимодействия и свойств. Например, можно создать модель работающих часов, модель планетохода или пневматической винтовки. Программа способна симулировать не только механические процессы, но и оптические, а возможность программирования при помощи скриптового языка Thyme позволяет создавать объекты с оригинальными физическими свойствами, различные функции, эффекты и явления. Также имеется возможность загружать рисунки: рисунок становится объектом симуляции и ему можно задать любые физические свойства. Программа бесплатна. Имеется хранилище algobox, где пользователи могут обмениваться своими моделями [19].- проект. разработанный Университетом Колорадо. Проект включает большое множество виртуальных лабораторий, демонстрирующих различные явлений в области физики, биологии, химии, математики, наук о Земле. Опыты имеют высокую познавательную ценность и при этом очень увлекательны [20].Demonstrations Project - наглядная демонстрация концепций современной науки и техники. Wolfram претендует на роль единой платформы, позволяющей создать объединенный каталог онлайновых интерактивных лабораторий. Это, по мнению его разработчиков, позволит пользователям избежать проблем, связанных с применением разнородных обучающих ресурсов и платформ разработки. Для просмотра демонстраций понадобится скачать и установить специальный Wolfram CDF Player. Здесь есть крупные физические, химические и математические разделы, а также посвященные технике, инженерному делу, социальным наукам [21].

Проект The ChemCollective посвящен изучению химии. Отличительной особенностью лаборатории является то, что отсутствуют какие-либо задания, пользователю предоставлена свобода действий. Прочие продукты проекта представляют собой лабораторные проекты, посвященные определенным темам и касаются таких разделов химии как стехиометрия, термохимия, теория кислот и оснований, аналитическая химия и др [22].

Виртуальные лаборатории teachmen.ru разработаны специалистами Челябинского государственного университета и полностью посвящен физике. Помимо собственно лабораторных работ, здесь можно также найти лекции с наглядными интерактивными элементами [23].Nite Labs - это серия платных виртуальных лабораторий по химии, биологии и микробиологии. Стоимость доступа - около 50$ на студента в семестр. Виртуальная лаборатории оформлены в виде 3D мира [24].Программное обеспечение для моделирования лабораторных работ [25].

Виртуальные лаборатории от SunSpireArtgroup. Их разработки это программные средства мультимедийного обучения на основе современных технологий компьютерной графики и имитационно-численного моделирования. Они представляют учебные программные комплексы - виртуальные лаборатории, симуляторы и интерактивные модели по различным специальностям инженерно-технического профиля (рис. 1.3). Стоимость продуктов SunSpireArtgroup варьируется от 50 000 до 100 000 рублей [26].

Из разработок для школьной программы можно выделить электронное издание "Химия. 8-11 класс. Виртуальная лаборатория" Издание предназначено для использования в учебном процессе полного среднего общего образования во время занятий в компьютерных классах, для аудиторных занятий, а также для самостоятельной работы учащихся дома [27].

Так же концепция виртуальных лабораторных работ получила широкое распространение в высших учебных заведениях. Эти виртуальные лаборатории разработаны в соответствии с планами конкретного университета. Например, в Московском институте открытого образования (МИОО) такие работы применяются на кафедре физики [28].

В Ульяновском государственном техническом университете лабораторный практикум применяется в изучении дисциплины «Релейная защита и автоматика» [29].

Виртуальная лаборатория содержится в рамках электронного курса «Открытая Физика», предназначенного для учащихся и преподавателей 7-11 классов общеобразовательных учреждений - средних школ, лицеев, гимназий, колледжей. Он может быть использован для самостоятельного изучения физики, для подготовки при поступлении в вузы, а также как справочное пособие. Авторами курса являются профессора МФТИ [30].

Виртуальная химическая лаборатория от компании «Новый диск» позволяет выполнять химические эксперименты на компьютере так же, как в реальной химической лаборатории. В интерактивной программе школьник сможет выбирать, переливать или пересыпать реагенты, собирать экспериментальные установки, проводить в них химические опыты, делать «виртуальные» фотографии химических реакций, записывать результаты наблюдений в лабораторный журнал. Все это дает возможность подготовиться к выполнению реального эксперимента в школьной лаборатории и к сдаче ЕГЭ по химии. Виртуальная лаборатория помимо химических опытов включает «конструктор молекул», который позволяет самостоятельно моделировать молекулы органических и неорганических веществ. Разделы «Задачи» и «Тесты» помогают выработать навыки решения расчетных задач по химии. Дополнительно дана иллюстративная информация, необходимая для проведения лабораторных работ, решения задач и усвоения учебного материала в пределах, предусмотренных стандартом химического образования [31].

В нашем университете виртуальные лабораторные работы также применяются на ряде кафедр (например, ОХТ [32], физики). Во время выполнения работ от студентов требуется аналитический расчет и ввод полученных данных в специализированные текстовые формы, либо своевременное нажатие требуемых клавиш, использование которых описано в инструкциях к лабораторным работам. Доступ к виртуальным лабораторным работам кафедры ОХТ [33] через интернет ограничен, а к виртуальным лабораторным работам кафедры физики возможен только с компьютеров лабораторий кафедры физики.

На кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии ведется разработка автоматизированных лабораторных комплексов, а также создание лабораторных практикумов: «Программный комплекс LabVIEW для моделирования процессов химической технологии», «Программный комплекс LabWare LIMS V6 для разработки лабораторных информационных систем» и т.д. [34-37]

Также, виртуальные лабораторные работы, разрабатываемые на кафедре ИКТ, постепенно внедряются в учебный процесс кафедры ОНХ. Из-за большого объема работ, их разработка занимает длительное время и распределяется на несколько поколений дипломников.

Все работы на кафедре создаются посредством мультимедийной платформы Adobe Flash разных версий. Выбор именно этой платформы не случаен: в первую очередь, курс Flash-технологий преподается в университете и включается в летнюю практику на втором курсе. Вторым немаловажным фактором является простота платформы в использовании: научившись создавать простые символы из имеющихся инструментов и создав несложные анимации, можно быстро создать готовую библиотеку элементов и использовать их в разработке.

1.4 Мультимедийная платформа Adobe Flash

Adobe Flash (ранее Macromedia Flash), или просто Flash - мультимедийная платформа компании Adobe Systems для создания веб-приложений или мультимедийных презентаций. Платформа включает в себя ряд средств разработки, прежде всего Adobe Flash Professional и Adobe Flash Builder, а также программу для воспроизведения flash-контента - Adobe Flash Player [38].Flash позволяет работать с векторной, растровой и с трёхмерной графикой, используя при этом графический процессор, а также поддерживает двунаправленную потоковую трансляцию аудио и видео [39]. Для КПК и других мобильных устройств выпущена специальная «облегчённая» версия платформы Flash Lite, функциональность которой ограничена в расчёте на возможности мобильных устройств и их операционных систем. Однако, когда эту программу используют для работы над анимацией, то этот тип анимации представляет собой смесь компьютерной и рисованной анимаций, при том все персонажи таких мультфильмов 2D формата.технологии, или, как их ещё называют, технологии интерактивной веб-анимации, были разработаны компанией Macromedia и объединили в себе множество мощных технологических решений в области мультимедийного представления информации. Ориентация на векторную графику в качестве основного инструмента разработки flash-программ позволила реализовать все базовые элементы мультимедиа: движение, звук и интерактивность объектов. При этом размер получающихся программ минимален и результат их работы не зависит от разрешения экрана у пользователя - а это одни из основных требований, предъявляемых к интернет-проектам. По сути, Flash Player представляет собой виртуальную машину, на которой выполняется загруженный из Интернета код flash-программы.

В основе анимации во Flash лежит векторный морфинг, то есть плавное перетекание одного ключевого кадра в другой. Это позволяет делать сложные мультипликационные сцены, задавая лишь несколько ключевых кадров. Производительность Flash Player при воспроизведении анимации в несколько раз превышает производительность виртуальной машины JavaScript в браузерах, поддерживающих предварительный стандарт HTML5, хотя во много раз уступает приложениям, работающим вообще без использования виртуальных машин. Flash использует язык программирования ActionScript, основанный на ECMAScript.

Adobe Flash Professional CS6 - это мощная среда для создания анимации и мультимедийного контента. С помощью неё можно создавать выразительные интерактивные проекты, которые будут отображаться в превосходном качестве на настольных компьютерах и различных устройствах, в том числе планшетных ПК и смартфонах, а также на телеэкранах. У этой версии есть несколько особенностей, среди которых можно выделить сверхбыстрый рендеринг благодаря непосредственному использованию среды StarlingFramework открытого кода для 2D-контента с аппаратным ускорением, улучшенные инструменты рисования, ведущие отраслевые инструменты анимации, анимационные переходы, создаваемые при помощи инструментов редактирования по временной шкале и редактора движения, усовершенствованные возможности работы с текстом, объектно-ориентированная анимация, применение анимационных переходов непосредственно к объектам, а не к ключевым кадрам, мощный механизм обработки обратной кинематики позволяет создавать реалистичные движения, кисти для инструмента «Декорирование», простота внедрения видео, упрощение процессов внедрения и кодирования видео благодаря улучшенной функции предварительного воспроизведения и инспектору свойств ключевых точек, точные средства управления слоями, дублирование слоев в различные файлы и проекты, позволяющее сохранить структуру важных документов [40].- объектно-ориентированный язык программирования, один из диалектов ECMAScript, который добавляет интерактивность, обработку данных и многое другое в содержимое Flash-приложений. ActionScript является языком программирования, используемым в средах выполнения Adobe Flash Player и Adobe AIR. Он обеспечивает интерактивность, обработку данных и многие другие возможности в содержимом Adobe Flash. Код ActionScript обычно преобразуется компилятором в формат байт-кода. Байт-код встроен в SWF- файлы, которые исполняет проигрыватель Flash Player и пакет AIR [41].

В ActionScript 3.0 каждый объект определяется классом. Класс можно рассматривать как шаблон или проект типа объекта. Определения класса могут включать переменные и константы, которые содержат значения данных и методов, являющихся функциями, содержащими поведение, связанное с этим классом. Значения, хранимые в свойствах, могут быть примитивными значениями или другими объектами. Примитивные значения - это числа, строки или логические значения. ActionScript содержит ряд встроенных классов, являющихся частью языка ядра. Некоторые из этих встроенных классов, например Number, Boolean и String, отражают примитивные значения, доступные в ActionScript. Другие же, такие как классы Array, Math и XML, определяют более сложные объекты [42].

2. Теоретическая часть

2.1 Задачи и содержание практикума по общей химии

Правильно поставленный эксперимент позволяет проследить закономерности химических процессов, исследовать влияние различных факторов на то или другое явление, запомнить свойства веществ, а также способствует выработке методологии химического мышления. В процессе лабораторных занятий по общей химии складываются навыки проведения химического эксперимента, организации рабочего места, сборки несложных приборов, соблюдения правил техники безопасности.

Практикум по общей химии является составной частью практикума по общей и неорганической химии и предназначен для лабораторных занятий по соответствующей дисциплине. Он составлен на основе многолетнего опыта работы кафедры общей и неорганической химии Московского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института имени Д. И. Менделеева (ныне РХТУ имени Д. И. Менделеева). Над разработкой практикума трудились А.Ф. Воробьев, С.И. Дракин, В.М. Лазарев, К.К. Власенко, А.К. Гончаров, А.И. Майер, В.П. Николаев, В.П. Погодин, К.К. Самплавская, Т.Н. Сергеева, Э.В. Скленская, В.Б. Соколов, С.Н. Соловьев, В.В. Щербаков [43].

Лабораторный практикум по общей химии должен научить студента самым первичным и общим элементам деятельности будущего химика. Прежде всего это аккуратность, так как одно необдуманное действие или даже движение может свести на нет результат многочасовой, а то и многодневной работы, и даже стать причиной несчастного случая. По этой причине в обязательном порядке проводится инструктаж по технике безопасности и для ряда работ вводятся дополнительные меры предосторожности.

Прежде, чем приступать к работе, студент обязан самостоятельно проработать соответствующий теоретический материал, а во время работы на лабораторном столе должны находиться только необходимые приборы, реактивы и лабораторный журнал. Необходимо соблюдать чистоту и порядок: уже ненужное - убирать, разлитое - вытирать. К опытам можно приступать, только получив ответы на все вопросы и устранив недопонимания. Необходимо бережно относиться к материалам, реактивам, газу, воде, электроэнергии, окружающей среде. Но при этом неизрасходованные реактивы нельзя возвращать туда, откуда они были взяты. Категорически нельзя проводить незапланированные опыты, а все наблюдения, полученные результаты и выводы необходимо записывать в лабораторный журнал.

С точки зрения психологии изучение химии вообще, а проведение лабораторных работ особенно, формирует ассоциативный тип мышления - очень редкий в настоящее время в научной среде. Аналитический способ мышления доказал свою высокую практическую результативность в прикладной науке и технике, но все великие ученые в совершенстве владели также ассоциативным видом мышления, что позволяло им производить совершенно новые идеи с использованием различных отраслей науки. Многое в реальной деятельности используют ассоциативный тип мышления на интуитивном уровне, но знание химии приводит к способности использовать этот метод мышления сознательно, что значительно сокращает время решения научной задачи.

Лабораторный комплекс по общей химии в описании состоит из 7 работ: взвешивание, приготовление растворов, титрование, перекристаллизация; определение молекулярной массы и эквивалента вещества; окислительно-восстановительные реакции, измерение энергии Гиббса в окислительно-восстановительных процессах; калориметрическое измерение энтальпий различных процессов; электролитическая диссоциация; гидролиз; комплексообразование.

При нагревании многих кристаллогидратов солей получаются не чистые безводные соли, а различные оксо- и гидроксосоли, гидроксиды или оксиды вследствие протекающего параллельно с удалением воды гидролиза. Может образоваться также смесь безводной соли и продуктов гидролиза. Качественный и количественный состав продукта, получаемого в результате термического разложения кристаллогидратов солей, зависит от ряда факторов. Процессы термического разложения кристаллогидратов имеют большое теоретическое и практическое значение.

Растворы являются многокомпонентными гомогенными системами, где одно вещество распределено в среде другого или других веществ. Чаще растворы бывают жидкими. Студенты должны уметь делать растворы заданной концентрации из более концентрированных и определять концентрацию титрованием.

Перекристаллизация - один из методов очистки вещества. При повышенной температуре получают раствор, близкий к насыщенному, затем его охлаждают. Полученные кристаллы содержат меньше примесей.

Один из широко применяемых методов определения молекулярных масс газообразных веществ основан на использовании законов идеальных газов. Студенты определяют среднюю молекулярную массу и состав газовой смеси.

Эквивалентом называется число граммов элемента, способное соединяться с 8 г кислорода или с 1,008 г водорода или замещать эти количества в соединениях. Зная эквиваленты, можно рассчитать, какое количество одного элемента вступит в реакцию с определенным количеством другого элемента. Экспериментально эквиваленты элементов определяются через состав их водородных или кислородных соединений.

Окислительно-восстановительными реакциями называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов вследствие смещения или полного перехода электронов от одних атомов или ионов к другим. Количественной характеристикой окислительно-восстановительной способности веществ служат электродные потенциалы. Абсолютные значения этих потенциалов определить нельзя, поэтому находят их по отношению к какому-то электроду сравнения, например, нормальному водородному электроду, который принимают равным нулю. Зная значения электродных потенциалов, можно вычислить э.д.с. элемента и изменение энергии Гиббса.

Тепловые эффекты химических реакций (изменение энтальпии), а также термодинамические состояния каждого их исходных веществ и продуктов реакции принято указывать в термохимических уравнениях. Согласно основному закону термохимии (Гесса) изменение энтальпии определяется только видом и состоянием исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути перехода от начальных веществ к конечным. Это дает возможность оперировать с термохимическими уравнениями как с алгебраическими. Тепловые эффекты измеряют в калориметрах.

Электролитической диссоциацией называется распад молекул в растворе на ионы, вызванный взаимодействием растворенных веществ с растворителем. Количественно процесс электролитической диссоциации характеризуется степенью и константой диссоциации. Студенты изучают электропроводность растворов электролитов, растворимость малорастворимых соединений по электропроводности раствора.

При растворении некоторых соединений в воде, наряду с процессами электролитической диссоциации, протекает обменная реакция между молекулами воды и растворенного вещества, то есть гидролиз. При изучении гидролиза важную роль играет определение pH растворов. Студенты изучают влияние природы соли, концентрации раствора и температуры на гидролиз и определяют термодинамические характеристики процесса.

В структуре комплексных соединений различают комплексообразователь и лиганды. При электролитической диссоциации лиганды практически полностью отщепляются, а изменения в комплексообразователе незначительные. Студенты занимаются получением комплексных соединений и изучением их свойств.

Основной целью всех лабораторных работ является приобретение навыков самостоятельного проведения химического эксперимента, выполнения расчетов по уравнениям и написания уравнений химических реакций.

2.2 Состав виртуального лабораторного практикума по общей химии

В виртуальном лабораторном комплексе лабораторные работы разбиваются на 6 блоков. Рассмотрим их подробнее.

Блок 1. Определение состава кристаллогидрата

Некоторые кристаллогидраты солей имеют свойство при нагревании терять воду и превращаться в безводные соли. Например,

CaSO4H2O CaSO4 + 2Н20

Зная массу взятого кристаллогидрата и полученной из него безводной соли, можно найти содержание воды в кристаллогидрате и установить его формулу. Обезвоживание кристаллогидрата проводят при температуре, несколько превышающей температуру его разложения. Температура разложения tразл - это та температура, при которой давление пара Н20 над кристаллогидратом равно атмосферному (101,3 кПа). Чтобы убедиться в полноте обезвоживания соли, прокаливание проводят до тех пор, пока результаты двух последних взвешиваний соли не будут равны (с точностью до 0,01 г).

Многие кристаллогидраты при нагревании не только теряют воду, но и разлагаются в результате протекания гидролиза и иных химических реакций. Например,

4Al(NO3)3Н2O 2Аl2O3 + 12NO2 + 3O2 + 36Н2O

Для таких кристаллогидратов нельзя определить содержание кристаллизационной воды по потере массы при нагревании.

Целью работы является определение содержания воды в кристаллогидрате и установление его формулы.

Блок 2. Приготовление раствора заданной концентрации

Например, необходимо разными способами приготовить 175 мл 5,6 % раствора NaCl.

Раствор- это многокомпонентная гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Растворитель - это компонент раствора, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Если раствор образован смешением газа с газом, жидкости с жидкостью, твердого вещества с твердым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.

Концентрация раствора - это величина, характеризующая количественный состав раствора. Концентрацией растворенного вещества называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора (моль/л, г/л).

Способы выражения концентрации:

Процентное содержание (ω, %масс) - число массовых частей растворенного вещества в 100 массовых частях раствора.

Титр (Т)- число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Молярность м) - число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Нормальность н)- число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора.

Моляльность (m)-число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Мольная доля i)-отношение числа молей i-ro компонента раствора к общему числу молей n веществ в растворе.

Мольное отношение - отношение числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя.

Определение концентрации раствора:

Концентрацию раствора можно определить по его плотности, которую измеряют при помощи ареометра.

Ареометр- это прибор для измерения плотности жидкостей, представляющий собой стеклянную трубку, нижняя часть которой заполнена дробью или ртутью для достижения необходимой массы; в верхней части находится шкала, проградуированная в единицах плотности.

Ареометр опускают в раствор; плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость.

Концентрацию исследуемого раствора находят, пользуясь табличными данными о плотности в зависимости от концентрации раствора. Если в таблице нет значения плотности, точно соответствующего показанию ареометра, концентрацию находят интерполяцией.

Приготовление раствора заданной концентрации:

Для того, чтобы рассчитать, какое количество исходного раствора необходимо ваять для приготовления указанного объема заданного раствора, нужно найти следующие данные:

)плотность раствора заданной концентрации;

)массу заданного раствора;

)массу сухого вещества, содержащегося в заданном растворе;

4)массу исходного раствора, содержащего данное количество сухого вещества;

)объем исходного раствора;

)массу воды, которую нужно добавить к исходному раствору (она равна разности масс исходного и заданного растворов).

Блок 3. Изучение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют реакции, в результате протекания которых происходит изменение степени окисления элементов вследствие смещения или полного перехода электронов от одних атомов или ионов к другим.

Степень окисления соответствует заряду иона или формальному заряду атома в молекуле или в формульной единице.

Окисление - процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление - процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Окисление и восстановление - взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно.

Окислители - атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны.

Восстановители - атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны.

Типичные окислители: атомы и молекулы некоторых неметаллов (галогены и кислород); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы элементов в высшей или одной из наиболее высоких степеней окисления (например, Mn+7О4-, S+6O42-).

Типичные восстановители:почти все металлы и некоторые неметаллы (С, Н2) в свободном состоянии; отрицательно заряженные ионы неметаллов (I-, S2-,P3-); катионы, степень окисления которых может возрасти (Fe2+. Сu+); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы в промежуточной степени окисления (S+2О32-, N+3О22-).

Характер многих окислительно-восстановительных реакций зависит от среды, в которой они протекают. Для создания кислой среды чаще всего используют разбавленную серную кислоту; для создания щелочной среды чаще всего используют растворы КОН и NaOH; для создания нейтральной среды используют дистиллированную воду.

Для составления уравнений ОВР надо знать, от каких атомов, молекул или ионов и к каким атомам, молекулам или ионам переходят электроны и в каком количестве.

Цель работы: составить уравнения ОВР; расставить в них стехиометрические коэффициенты; провести ОВР с участием различных веществ.

Блок 4. Комплексные соединения

Комплексные (или координационные) соединения - это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному атому (или иону), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами.

В структуре комплексных соединений различают координационную (внутреннюю) сферу, состоящую из комплексообразователя (иона или атома) и окружающих его лигандов (молекулы или ионы противоположного знака), и внешнюю сферу (ионы, находящиеся за пределами внутренней сферы). В формулах комплексных соединений координационную сферу заключают в квадратные скобки (например, [Cu(NH3)4]SО4, K2[Zn(OH)4]).

Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, называется координационным числом.

Если лиганды содержат только один атом или группу, которыми они присоединяются к комплексообразователю, то их называют монодентатными; если два - бидентатными; три - тридентатными.

В зависимости от заряда комплексообразователя и лигандов внутренняя сфера может иметь положительный или отрицательный заряд или не иметь заряда. По этому признаку соединения относят к комплексам катионного, анионного или нейтрального типа.

Каждое из комплексных соединений имеет характерный цвет. Их окраска зависит от типа лигандов и комплексообразователя.

Цель работы: получить различные комплексные соединения.

Блок 5. Гидролиз солей

При растворении солей в воде, наряду с процессами электролитической диссоциации с образованием гидратированных ионов, происходит обменная реакция между молекулами воды и растворенного вещества - гидролиз.

Гидролиз бывает обратимый и необратимый. Положение равновесия обратимого гидролиза зависит от того, какой электролит слабее - вода или образующееся соединение. Вода -слабый электролит.

H2O Н++ ОН- или 2H2O Н3О++ ОН

Равновесие реакции характеризует ионное произведение воды:

= [H+][OH-] = 10-14

В чистой воде при 298 К: [H+] = [ОН-] = 10-7 моль/л. При добавлении к воде кислот или щелочей концентрация ионов [H+] и [OH-] меняется. Концентрацию ионов [Н+] выражают в логарифмической шкале. Отрицательный десятичный логарифм этой концентрации называют водородным показателем и обозначают pH: pH = -lg[H+].

Изменение pH при растворении вещества в воде является одним из основных признаков протекания в растворе гидролиза. Для нейтрального раствора pH = 7, для кислого pH < 7, для щелочного pH > 7.

Блок 6. Определение концентрации раствора титрованием

Цель работы: определить точное значение концентрации раствора карбоната натрия титрованием.

Раствор -это многокомпонентная гомогенная система, в которой одно вещество распределено в среде другого или других веществ. Чаще всего работают с жидкими растворами. Компоненты жидкого раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество.

Отношение количества растворенного вещества к массе (или объему) раствора (или растворителя) называют концентрацией раствора.

Широко используют следующие способы выражения концентрации раствора:

Процентное содержание(%масс)- число массовых частей растворенного вещества в 100 массовых частях раствора.

Титр (Т) - число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Молярность(М)- число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Нормальность(N) - число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора.

Моляльность (m) - число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Мольная доляi) - отношение числа молей i-ro компонента раствора к общему числу молей n веществ в растворе.

Мольное отношение- отношение числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя.

Для точного определения концентрации растворов широко используют метод, основанный на титровании. Этот метод заключается в постепенном прибавлении к определенному объему исследуемого (титруемого) раствора другого раствора - титранта, концентрация которого известна, до тех пор, пока вещества, содержащиеся в этих растворах, не прореагируют без остатка. Момент окончания реакции - конечную точку титрования - определяют при помощи индикатора (метилоранж, лакмус, фенолфталеин), добавляемого к титруемому раствору. Цвет индикатора изменится вточке эквивалентности-конечной точке титрования.

Также виртуальный лабораторный практикум включает в себя: многофункциональную мультимедийную оболочку; блок тестовых заданий для самоконтроля студента; виртуального помощника, который контролирует ход работы.

Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине Общая химия будет размещен на учебном портале РХТУ им. Д. И. Менделеева в модульной объективно-ориентированной среде обучения Moodle, а так же может распространяться на компакт дисках.

2.3 Критический анализ ранее разработанных практикумов

Разработка виртуальных практикумов на кафедре ИКТ ведется уже несколько лет. Лабораторные работы по общей химии создавались А.А. Сутыриным [44] в 2011 г. и И.А. Кобяковой [45 - 48] в 2013 г., а работы по неорганической химии делали Е.А. Сиплатова [49 - 51] в 2014 г., А.М. Сайфи [52 - 53] в 2015 г. и М.Л. Сазон [54 - 55] в 2016 г.

Идея разрабатываемой виртуальной химической лаборатории - мультимедийное флэш-приложение, с максимально простым, удобным и понятным пользователю интерфейсом, дающее пользователю возможность понять суть лабораторной работы, последовательность действий, особенности химических превращений и демонстрируемые химические свойства элементов и их соединений [56]. При создании виртуального практикума ставилась задача на основе имеющегося опыта реализовать не тривиальный пошаговый инструктаж по прохождению лабораторной работы, а увлекательный процесс выполнения лабораторной работы и предложить обучающемуся полноценную виртуальную лабораторию, отражающую реалии практических лабораторных занятий.

Основные цели, преследовавшиеся при реализации приложения: разработка современного дизайна отображения экранного содержимого и максимально дружественного пользовательского интерфейса, удобного как для обучающихся, так и для преподавателей; обеспечение максимальной информативности всех аспектов выполняемых работ с целью усвоения и закрепления теоретических знаний; замена примитивного кнопочного общения пользователя с приложением в процессе выполнения лабораторных работ широкими возможностями активного взаимодействия со всеми элементами, присутствующими в рабочей области; создание атмосферы игрового процесса, позволяющего воспринимать выполнение работ как увлекательное и, в то же время, познавательное занятие; создание реалистичного отображения обстановки и происходящих событий, соответствующих настоящей лаборатории общей и неорганической химии.

В результате анализа были выделены основные положения и пути достижения поставленных целей, которые составили основу концептуальной разработки виртуальной лаборатории. Для реалистичного отображения лаборатории, создан «вход» в лабораторию, и оформлен внешний облик «лаборатории», в которой пользователь будет выполнять практические занятия. С целью повышения реалистичности атмосферы работа в виртуальной лаборатории должна отражать все виды занятий обучающихся в реальной лаборатории, поэтому был создан виртуальный лабораторный журнал по аналогии с журналом наблюдений, который ведут студенты во время изучения данной дисциплины. Последовательность его заполнения соответствует последовательности заполнения р

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.