Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов

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 доля (х_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.

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 в точке 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 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 превращений и сделанные выводы. Для обеспечения максимальной информативности в каждой работе организовано получение кратких справок о реактивах, веществах, оборудовании и прочих элементах рабочей области. Это позволяет расширить пользовательский интерфейс выполнения работы, т.к. вся рабочая область становится интерактивной, а это, в свою очередь, позволяет оперативно получать ответы на возникающие по ходу работы вопросы, и, следовательно, повышает интерес обучающегося к процессу.

Для повышения привлекательности учебного процесса в практикум внесен игровой компонент - в процесс выполнения лабораторных работ введен игровой персонаж. Внедрение в процесс общения приложения с пользователем виртуального помощника помогает лучше координировать его действия, а так же позволяет чувствовать себя свободнее и увереннее, с большим интересом вникать в процесс работы. Незамысловатый персонаж - профессор Неорхим на протяжении всего лабораторного практикума находится рядом с обучающимся и помогает ему в выполнении лабораторных работ. Учитывая, что разработка всего практикума, включающего более двух сотен лабораторных экспериментов и опытов, составляет большой объем работы, который не может быть проделан в короткие сроки, выполнены наиболее важные, базовые шаги по разработке программного обеспечения: создан готовый набор используемых в лаборатории инструментов, посуды и оборудования, анимации реакций, которые занесены в единую библиотеку символов для их дальнейшего использования; максимально универсализирован код, простой и доступный для преемников 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 взаимодействия объектов друг с другом. При этом учтено, что все объекты в лабораторных работах подвижны, а потому для них всех нужен универсальный принцип перемещения по сцене. Кроме того, разработана система проверки тестовых заданий в лабораторном журнале и внедрена система запуска созданных анимаций реакций. Следующий шаг концептуальной разработки виртуальной 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 наблюдений, переход от работы к работе и т.д. Для решения этой задачи разработана подробная инструкция, размещенная перед входом в лабораторию. Итоговые законченные блоки работ объединены с разработанными ранее блоками лабораторных работ по курсу «Общая химия», что дает возможность представить виртуальный лабораторный практикум как полноценную разработку по курсу практических занятии? кафедры общей и неорганической химии.

В ходе изучения работ предыдущих лет, были выявлены следующие недостатки:

1) «Некликабельность» некоторых элементов, например, кнопки переключения в журнале периодически отказываются работать.

2) Разбитый на символы текст, который практически невозможно отредактировать в виду большого количества символов.

3) Текст, представленный в TLF-полях, которые не поддерживаются в последних версиях Flash.

4) Шрифты в итоговый файл не внедрены, из-за этого текст по-разному читается на разных устройствах, на некоторых не читается, а индексация вовсе отсутствует.

5) Отсутствует универсализация положений объектов в отдельных частях проекта, что не позволяет программно подставлять содержимое в эти объекты.

6) Проверка знаний пользователя в тестовом блоке работ выполнена некорректно с логической точки зрения (программа может выдавать ошибку там, где ее нет, например, если изменить порядок подставляемых в поля данных; также не учитывается наличие машинной погрешности).

7) Не всегда понятный интерфейс непосредственно в блоке самих лабораторных работ - неясно, на что и как надо нажимать, чтобы выполнить оговоренное планом лабораторной работы действие.

8) Большое количество кадров в верхней временной сетке, для каждого изменения создан свой кадр.

2.4 Постановка задач по переработке и совершенствованию практикума

Исходя из проведенного анализа, была поставлена цель работы:

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.

Для осуществления данной цели необходимо решить 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 программный код, реализующий основные операции с компонентами; сформировать виртуальный лабораторный комплекс 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”.

В частности, в рамках устранения недостатков ранних работ необходимо:

1) Заменить код ранее «некликабельных» элементов на более работоспособный.

2) Представить текст в едином текстовом поле так, чтобы его замена стала возможна программным путем.

3) Заменить TLF-поля на классические текстовые поля, поддерживаемые в последних версиях Flash.

4) Внедрить шрифты в итоговый файл: стандартный, верхнего и нижнего индекса.

5) Универсализировать поля, фиксировать их положение для разных кадров, обеспечить подстановку их содержимого программно.

6) Сделать корректной проверку знаний пользователя.

7) Переработать механику ряда лабораторных работ так, чтобы выполнение работы стало более доступным для пользователя.

8) Создать основные типы кадров, изменения в которых реализовать программно, а сами кадры в качестве состояний спрятать внутрь объектов.

3. Практическая часть

3.1 Этапы разработки виртуального лабораторного практикума

Разработка лабораторного практикума состояла из следующих этапов.

Этап 1: Анализ структуры, заключающийся в изучении и усвоении методологии предыдущей разработки лабораторного практикума по общей и неорганической химии с целью обеспечения его целостности.

Этап 2: Определение окончательного состава лабораторных работ в блоках, посвященных общей химии и разработка их сценариев.

Этап 3: Выделение стандартных компонентов, формализация алгоритмов операций с данными компонентами.

Этап 4: Переработка имеющегося программного кода для устранения недостатков и его оптимизации.

Этап 5: Разработка недостающего программного обеспечения для расширения функционала и возможностей.

Этап 6: Создание программного кода, реализующего основные операции с компонентами.

Этап 7: Наполнение каркаса лабораторного практикума согласно разработанной концепции, подготовленных сценариев и созданных элементов интерфейса с использованием настраиваемых параметров интерактивных компонентов.

Этап 8: Сборка и формирование окончательных вариантов виртуальных лабораторных работ с учетом всех методических требований.

Этап 9: Пользовательское тестирование для проверки разработанного комплекса на соответствие поставленной цели и задачам.

Этап 10: Интегрирование созданных блоков работ в общий лабораторный практикум.

С помощью среды разработки Adobe Flash можно достаточно быстро создавать необходимые и доступные для пользователя элементы интерфейса, красивую и качественную графику и анимацию, а объектно-ориентированный язык программирования ActionScript позволяет использовать созданные объекты в программном коде. При запуске Adobe Flash выбиралось создание проекта с чистого листа.

Для создания и управления документами и файлами использовались такие элементы интерфейса, как палитры, панели и окна. Расположение этих элементов представляет рабочее пространство или сцену (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Рабочее пространство Adobe Flash.

Рабочее пространство находится в центре и является виртуальным холстом. На нем рисуются изображения, помещается текст и создаются объекты, которые перемещаются по экрану. Оно также является местом воспроизведения: при тестировании анимации, чтобы увидеть, нужны ли какие-либо доработки, она появляется именно на сцене (рис 3.2) [57].

Временная шкала предназначена для упорядочивания содержимого по времени и управления слоями и кадрами. Во Flash время делится на кадры, как на кинопленке. Основными компонентами временной шкалы являются слои, кадры и точка воспроизведения (рис. 3.3) [58]. Временная шкала отражает, в каком месте находится анимация, а также контуры движения. С помощью элементов управления в разделе слоев на временной шкале можно отображать и скрывать, блокировать и разблокировать слои, а также отображать их содержимое в виде контуров. Кадры можно перетаскивать в другое место в том же или в другом слое.

Рис. 3.2. Внешний вид панели «Сцена».

Рис. 3.3. Временная шкала

Библиотека документа Flash хранит ресурсы, которые могут быть как созданными в среде разработки Flash, так и импортированными для использования в документе (рис. 3.4). Векторные иллюстрации, текст и символы можно создавать непосредственно в Flash, а векторные и растровые изображения, видео и звук можно импортировать.

Символом в Flash называется любой объект, будь то изображение, кнопка, фрагмент ролика или текст, который достаточно создать единожды, чтобы потом использовать многократно. Для придания документам динамики, для добавления мультимедийного содержимого применяются сценарии ActionScript. В библиотеке также содержатся все компоненты, которые были добавлены в документ. Компоненты хранятся в библиотеке скомпилированными фрагментами. Все элементы библиотеки любого документа Flash, открытого в программе Flash, доступны из этого файла для текущего документа [59].

Рис. 3.4. Библиотека символов.

Панель «Свойства» предоставляет быстрый доступ к атрибутам, необходимым в работе с символом (рис. 3.5). Появляющееся в панели «Свойства» содержимое зависит от выбора области задач свойств. Так, если выбран кадр, то панель «Свойства» будет содержать настройку «Расчетная анимация»; а если выбран объект на сцене, то панель «Свойства» будет показывать его координаты. Так же в этой панели каждому элементу сцены присваивается идентификационное имя, которое можно использовать далее в программном коде.

Панель инструментов содержит инструменты выбора, рисования и ввода текста, заливки и редактирования, навигации и элементы управления (рис. 3.6).

По умолчанию командой «Опубликовать» создается SWF-файл Flash и документ HTML, который вставляет содержимое Flash в окно обозревателя (рис. 3.7). Если изменить параметры публикации Flash, то эти изменения сохранятся вместе с документом. Чтобы проверить работу SWF-файла перед публикацией, используется команда тестирования ролика (меню «Управление» > «Тестировать ролик») (рис. 3.8). Анимация - это последовательный показ заранее подготовленных графических файлов, а также компьютерная имитация движения с помощью изменения и перерисовки формы объектов или показа последовательных изображений с фазами движения [60].

Рис. 3.5. Панель свойств.

Рис. 3.6. Панель инструментов.



Рис. 3.7. Публикация ролика.

Рис. 3.8. Тестирование ролика

Анимация движения используется для того, чтобы задать свойства объекта, например, положение или альфа-прозрачность в одном кадре, а затем снова в другом кадре. После этого Flash интерполирует значения свойств тех кадров, что находятся между данными кадрами. Анимация движения полезна тогда, когда нужно непрерывное движение или преобразование объекта. Она отображается на временной шкале в виде непрерывного диапазона кадров, который далее модно использовать как один объект.

Классическая анимация похожа на анимацию движения, но является более сложной в создании. Она позволяет создавать такие анимированные эффекты, которых нельзя добиться с использованием диапазонов анимированных кадров.

При анимации формы в отдельном кадре на временной шкале рисуется форма, а в другом кадре эта форма изменяется, или рисуется новая форма. Затем Flash интерполирует фигуры для промежуточных кадров, создавая перетекание одной фигуры в другую.

Покадровая анимация позволяет задавать разные объекты для каждого кадра временной шкалы. Ее можно использовать для создания впечатления быстрого воспроизведения кадров фильма. Такая техника полезна при создании комплексной анимации, когда графические элементы каждого кадра должны быть различны.

При помощи языка сценариев ActionScript в приложение добавляются сложные функции интерактивности, отображения данных и управления воспроизведением. Использование ActionScript в среде разработки осуществляется на панели «Действия» (рис. 3.9), в окне «Сценарий» или при помощи внешнего редактора. ActionScript обладает собственным синтаксисом и зарезервированными ключевыми словами, дает возможность использовать переменные для хранения и извлечения информации. ActionScript содержит обширную библиотеку встроенных классов, с помощью которых можно создавать объекты для выполнения многих полезных задач.



Рис. 3.9. Панель «Действия»

В основе языка ActionScript 3.0 лежат объекты. Это его главный конструктивный материал. Любая объявленная переменная, написанная функция, каждый созданный экземпляр класса являются объектами. Программа, написанная на ActionScript 3.0, рассматривается как группа объектов, которые выполняют задачи, реагируют на события и взаимодействуют друг с другом.

Прослушиватели или обработчики событий - это функции, выполняемые Flash Player и AIR в ответ на конкретные события. Чтобы добавить прослушиватель, нужно, во-первых, создать метод функции или класса для Flash Player или AIR, который выполняется в ответ на появление события. Во-вторых, необходимо использовать метод addEventListener() для регистрации своей функции прослушивателя в цели события или любом объекте из списка отображения, который находится в соответствующем потоке событий [61].

Прослушиватель событий является экземпляром класса, реализующего интерфейс EventListener, тогда как функция прослушивателя является методом этого класса с именем handleEvent() [42].

this.addEventListener(MouseEvent.CLICK, clickHandler);

function clickHandler(event:MouseEvent):void { … }

Метод addEventListener() - это основополагающий компонент функций прослушивателя. Необходимо обязательно указывать параметры type и listener. Параметр type применяется для определения типа события. Параметр listener указывает на функцию прослушивателя, которая выполняется при наступлении события. Параметр listener может быть ссылкой либо на функцию, либо на метод класса [62].

На основе метода прослушивателя событий создан весь лабораторный практикум по дисциплине «Неорганическая химия». В AS3, при создании приложений в среде Flash, очень важно свойство отклика объекта класса на происходящее событие, потому основным элементом, которым необходимо было пользоваться при разработке программного кода, был слушатель событий (EventListener):

target.addEventListener(type, listener[, useCapture]);

target.addEventListener(type, listener[, useCapture, wantsUntrusted ]);

Параметры:

type:String - тип события;

listener:Function - функция прослушивателя, обрабатывающая событие.

Т.к. пользователь, в первую очередь, будет пользоваться исключительно мышью при работе с приложением, потому основная функция listener - это захват события кнопок мыши:

MouseEvent[func], где func - действие мыши, которое будет обрабатываться.

В нашем случае действие мыши - это нажатие левой кнопки мыши. Соответственно, во время «клика» имеется 2 положения кнопки: вниз (кнопка нажата) и вверх (кнопка отпущена) [59]:

MouseEvent.MOUSE_DOWN - нажата;

MouseEvent.MOUSE_UP - опущена.

При разработке практикума были использованы созданные ранее универсальные принципы работы лаборатории.

Когда пользователь перетаскивает объект в необходимое место на сцене, он «поднимает» объект, зажимая левую кнопку мыши, а затем отпускает, перетащив объект туда, куда было нужно.

Реализация алгоритма программным кодом осуществляется следующим образом:

object1.addEventListener(MouseEvent.MOUSE_DOWN, takeObject);

object1.addEventLiostener(MouseEvent.MOUSE_UP, stopTakeObject);

function takeObject(e:MouseEvent): void {

object1.startDrag();

}

function stopTakeObject(e:MouseEvent): void {

object1.stopDrag();

if (object1.hitTestObject(hitObject(Object2))) {

<…>

}

Else {

object1.x = object1.x0;

object1.y = object1.y0;

}

}

Далее для объекта создаются 2 слушателя событий: при нажатии на левую клавишу мыши и при её отпускании. Далее для каждого из слушателей описаны функции, которые управляют действием объекта.

Функция takeObject дает возможность объекту начать двигаться. Функция stopTakeObject останавливает передвижение объекта, одновременно проверяя его местоположение. Если объект вступил во взаимодействие с «объектом-точкой остановки», он ссылается на функцию, которая указывает объекту, что с ним должно происходить дальше. Если передвигаемый объект не выполнил запланированное взаимодействие, он возвращается на свои первоначальные координаты на сцене (x₀, y₀).

При перемещении объекта он взаимодействует с неким «объектом-точкой остановки». Это взаимодействие имеет свою природу и для каждого передвигаемого объекта оно своё собственное.

В принципе универсального взаимодействия объектов существуют следующие подпринципы:

Объект1 vs. Объект2 (OvO) - когда объект не несет в себе сложных операций, а просто перемещается относительно «объекта-точки остановки» (например, «пробка»);

Объект1Действие vs. Объект2 (ODvO) - когда объекту необходимо совершить какое-то действие с предметом, который является для него «объектом-точкой остановки» (например, «шпатель»);

Объект1Действие1 vs Объект2Действие2 (ODvOD) - когда при взаимодействии одного объекта с другим оба совершают какое-либо действие.

Реализация алгоритмов программным кодом осуществляется следующим образом:

Function OVO(x0, y0) {

object1.x = x0 + object2.x;

object1.y = y0 + object2.y;

}

Function ODvO() {

Object1.Event.play();

}

Function ODvOD() {

Object1.Event.play();

Object2.Event.play();

}

If (object1.Event == true) {

If (object2.Event == true) {

ODvOD();

}

Else {

ODvO();

}

}

Else {

OvO(object1.x0, object1.y0);

}

В лабораторном практикуме встречаются 4 типа визуализации реакций: горение, выпадение осадка, изменение цвета, выделение газа. Реализация алгоритма программным кодом осуществляется следующим образом:

If (typeReaction == 1) { //реакция горения

Fire.x = x;

Fire.y = y;

Fire.play();

}

If (typeReaction == 2) { //реакция с изменением цвета

NewColor.x = x;

NewColor.y = y;

NewColor.color = col;

NewColor.play();

}

If (typeReaction == 3) { //реакция с выпадением осадка

Osadok.x = x;

Osadok.y = y;

Osadok.play();

}

If (typeReaction == 4) { //реакция с выделением газа

Gas.x = x;

Gas.y = y;

Gas.play();

}

На входе принципу передается номер типа визуализации (1 - горение, 2 - изменение цвета, 3 - выпадение осадка, 4 - выделение газа), координаты, где реакция должна происходить, и цвет, на который реакция должна измениться.

В составе лабораторного журнала приложения входит 2 типа тестовых заданий. В первом необходимо дописать продукты реакций и уравнять химические реакции, а во втором нужно вставить недостающие фразы. Происходит сравнение введенных данных с правильными, заложенными в состав лабораторной работы. Реализация проверки осуществляется таким образом:

var rez; //объявление переменной результата

var otvet = […]; //внесение вручную правильных ответов в массив

btn.addEventListener(MouseEvent.CLICK, btn_click);

function btn_click (event:MouseEvent):void {

rez = 0;

for (i=1; i>Elements; i++) {

if (element(i)==otvet(i)) rez+=1;

}

lblRez.text = String(rez) + “/” + String(otvet.);//вывод результата

}

Принцип работы виртуальной лаборатории был построен на основе всех перечисленных алгоритмов.

3.2 Устранение недостатков, оптимизация кода, разработка компонентов

Опишем некоторые из внесенных исправлений, обладающие наибольшей наглядностью и о сути которых можно написать несколькими фразами.

Кнопке переключения страниц добавлен единственный однозначный код, который отсылает на следующую страницу журнала, до тех пор, пока журнал не кончится. Таким образом, она работает исправно, а журнал перемещается на свое следующее состояние, которое представляет из себя кадр внутри объекта «журнал».

Рис. 3.10. Кнопка переключения страниц.

В предыдущих версиях лабораторного практикума текст был разбит на буквы, а буквы, в свою очередь, переведены из текстового формата в разбитые на пиксели фигуры (Рис. 3.11). Как после внесенных изменений выглядит текст, представлено на рисунке 3.12:

Также объекты не имели своих состояний, и каждый раз использовались их различные модификации. Внешние кадры отвечали за динамику приложения, и на каждом кадре была представлена та разновидность функционального объекта, которая в данном случае была нужна.

После внесенных изменений в приложении каждый функциональный объект превращен в объект муви-клип, и если его состояние должно меняться в ходе выполнения лабораторной работы, то он переходит с кадра на кадр внутри своей внутренней временной линии.



Рис. 3.11. Текст в предыдущих версиях лабораторного практикума.

Рис. 3.11. Текст в предыдущих версиях лабораторного практикума.

TLF-поля не поддерживаются в последних версиях Adobe Flash, с чем была связана необходимость замены их на классические текстовые поля. Также потребовалось внедрение шрифтов для корректного отображения индексов и самого текста на всех устройствах (Рис. 3.12).



Рис. 3.12. Внедрение шрифтов.

На рисунке 3.13 приведен пример кода, реализующего замену.

Рис. 3.13. Фрагмент кода замены.

Механизм преобразования текста в индексы реализуется с помощью так называемых тегов. Организуется макрозамена открывающего и закрывающего тега в тексте на теги, обозначающие стиль html-текста, размещенного внутри текстового поля.

Проверка знаний студентов теперь реализована с поправками. Для устранения машинной погрешности использована функция округления до целого (Math.round). Промежуточные оценки получаются масштабированием в два раза шкалы оценивания. Также исправлен механизм проверки подставленных элементов в текстовые поля: происходит приравнивание к строчному шрифту и проверка любой последовательности подставленных вариантов ответа.

Также программа была адаптирована под Android и протестирована на нескольких смартфонах и планшетах.

3.3 Разработка лабораторного комплекса

Разработанный лабораторный комплекс содержит 20 работ, которые объединяются в 6 блоков.

Блок 1. Определение состава кристаллогидрата

Здесь студент на основании массы взятого кристаллогидрата и полученной из него безводной соли, определяет содержание воды в кристаллогидрате и устанавливает его формулу. Обезвоживание кристаллогидрата проводят его нагревание. Чтобы убедиться в полноте обезвоживания соли, студент должен проводить прокаливание до тех пор, пока результаты двух последних взвешиваний соли не будут равны.

В данный блок входит 5 лабораторных работ:

· Определение состава кристаллогидрата: CuSO₄;

· Определение состава кристаллогидрата: FeSO₄;

· Определение состава кристаллогидрата: Na₂SO₄;

· Определение состава кристаллогидрата: CoCl₂;

· Определение состава кристаллогидрата: KAl(SO₄)₂.

Блок 2. Приготовление раствора заданной концентрации

Концентрацию раствора студент определяет по его плотности, которую измеряют при помощи ареометра. Для этого он опускают ареометр в раствор; плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость. Концентрацию исследуемого раствора студент определяет исходя из табличных данных о плотности в зависимости от концентрации раствора. Если в таблице нет значения плотности, точно соответствующего показанию ареометра, студент должен определить ее интерполяцией. Для того, чтобы рассчитать, какое количество исходного раствора студенту необходимо ваять для приготовления указанного объема заданного раствора, он должен найти плотность раствора заданной концентрации; массу заданного раствора; массу сухого вещества, содержащегося в заданном растворе; массу исходного раствора, содержащего данное количество сухого вещества; объем исходного раствора; массу воды, которую нужно добавить к исходному раствору.

В данный блок входит 4 лабораторных работы:

· Приготовление раствора заданной концентрации: соль + вода;

· Приготовление раствора заданной концентрации: соль + раствор;

· Приготовление раствора заданной концентрации: раствор + вода;

· Приготовление раствора заданной концентрации: раствор + раствор.

Блок 3. Изучение окислительно-восстановительных реакций

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 сильной щелочи; 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. Поэтому студенту необходимо составить уравнения ОВР; расставить в них стехиометрические коэффициенты; провести ОВР с участием различных веществ.

В данный блок входит 5 лабораторных работ:

· Изучение окислительно-восстановительных реакций: йодид калия + пероксид водорода;

· Изучение окислительно-восстановительных реакций: йод + сульфит натрия;

· Изучение окислительно-восстановительных реакций: йодид калия + раствор хлора;

· Изучение окислительно-восстановительных реакций: перманганат калия + сульфит натрия;

· Изучение окислительно-восстановительных реакций: перманганат калия + нитрит натрия.

Блок 4. Комплексные соединения

Каждое из комплексных соединений имеет характерный цвет. Их окраска зависит от типа лигандов и комплексообразователя. Студенту необходимо получить различные комплексные соединения.

· Получение комплексных соединений: нитрат серебра + хлорид натрия;

· Получение комплексных соединений: реакции с аммиаком;

· Получение комплексных соединений: сульфат диамин меди + цинк;

· Получение комплексных соединений: перманганат калия + гексоцианноферрат (II) калия.

Блок 5. Гидролиз солей

При растворении солей в воде происходит обменная реакция между молекулами воды и растворенного вещества - гидролиз. Он бывает обратимый и необратимый. Положение равновесия обратимого гидролиза зависит от того, какой электролит слабее - вода или образующееся соединение. Вода - слабый электролит. Студент должен наблюдать изменение pH при растворении вещества в воде, так как оно является одним из основных признаков протекания в растворе гидролиза.

В данном блоке было целесообразно объединить все реакции гидролиза с участием разных солей в одну работу по причине сильного единообразия кода, так как различие только в цвете индикаторов:

· Гидролиз солей.

Блок 6. Определение концентрации раствора титрованием

Студенту необходимо определить точное значение концентрации раствора карбоната натрия титрованием. Для этого он постепенно прибавляет к определенному объему исследуемого (титруемого) раствора другй раствор, концентрация которого известна, до тех пор, пока вещества, содержащиеся в этих растворах, не прореагируют без остатка. Момент окончания реакции - конечную точку титрования - определяется при помощи индикатора (метилоранж, лакмус, фенолфталеин), добавляемого к титруемому раствору. Цвет индикатора изменится в точке эквивалентности - конечной точке титрования.

В данном блоке было целесообразно представить одну работу по причине ее длительности и тщательности действий:

· Определение концентрации раствора титрованием

виртуальный лаборатория мультимедийный код

3.4 Пример лабораторной работы

Выполнение работы «Определение состава кристаллогидрата CuSO₄» начинается со взвешивания пустого тигля (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Взвешивание пустого тигля.

Далее предлагается взвесить тигель с кристаллогидратом (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Взвешивание тигля с кристаллогидратом.

В обеих сценах используется один и тот же тигель в разных состояниях, заключенных в разные кадры внутренней временной линии объекта. Весы с числом на них и без - разные состояния одних и тех же весов. Значение же массы на весах подставляется программно.

Далее требуется прокалить тигель с кристаллогидратом. Ожидание прокаливания привязано к счетчику, который запускается парой невидимых кадров внутри пустого объекта (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Прокаливание тигля с кристаллогидратом.

Далее требуется охладить кристаллогидрат в эксикаторе (рис. 3.17).



Рис. 3.17. Охлаждение кристаллогидрата.

Далее несколько раз чередуются действия:

1) Взвесить тигель с кристаллогидратом;

2) Прокалить тигель с кристаллогидратом;

3) Охладить кристаллогидрат в эксикаторе.

Эти процедуры проводятся в совокупности три раза - до тех пор, пока масса кристаллогидрата не перестанет изменяться. В конце работы пользователю предлагают определить количество молекул воды в формуле кристаллогидрата, сравнив его массу до прокаливания и после последнего прокаливания. Обозначив неизвестной величиной множитель молярной массы воды, составляем уравнение, задействовав молярную массу кристаллогидрата, и таким образом получаем количество молекул H₂O.

3.5 Руководство программиста

Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине «Общая химия» разработан посредством мультимедийной платформы Adobe Flash CS 6 с использованием объектно-ориентированного языка программирования Action Script 3.0.

Интерактивные лабораторные работы в составе лабораторного практикума представляют собой скомпилированные исполняемые файлы с расширением *.swf, которые внедрены в HTML-страницы для их корректного отображения и масштабирования.

Каждая виртуальная лабораторная работа соответствует одному из блоков практикума по общей химии. Выполнение лабораторных работ предполагает взаимодействие с пользователем (нажатие управляющих кнопок, ввод текстовых данных и т.д.).

В ходе выполнения лабораторных работ производится анализ входной информации (действия пользователя) и вывод соответствующих выходных данных (отклик программы на совершенные действия).

Условиями выполнения программы являются наличие ПК с процессором Intel Pentium III и выше, операционной системы: MS Windows XP и выше, Linux, FreeBSD, OpenBSD, MacOS X, оперативной памяти не менее 512 МБ. Также программа была адаптирована под Android и протестирована на нескольких смартфонах и планшетах.

Необходимое программное обеспечение:

Интернет-браузер с графической оболочкой и поддержкой JavaScript (Google Chrome, Mozilla Firefox, Safari, Opera, Internet Explorer, Яндек.Браузер и др.).

Дистрибутив: Adobe Flash Player (версии 10 и выше).

Для создания виртуального лабораторного практикума использовался встроенный в среду разработки Adobe Flash объектно-ориентированный язык программирования ActionScript 3.0.

Для работы с виртуальным лабораторным практикумом не требуется как установка дополнительного программного обеспечения, как и обязательное подключение к сети Интернет. Для корректного отображения требуется только установленная на ПК или иное устройство пользователя программа воспроизведения flash-контента Adobe Flash Player (10 версии и выше), которая, как правило, является встроенным плагином в современных веб-браузерах (Internet Explorer, Mozilla firefox, Google Chrome, Opera, Safari и другие).

Виртуальный лабораторный практикум и лабораторные работы в его составе работают стабильно, тестирование не выявило сбоев и ошибок выполнения. Количество запусков не лимитировано и возможен свободный порядок выполнения лабораторных работ.

Для запуска виртуального лабораторного практикума потребуется интернет-браузер со встроенным в него плагином воспроизведения flash-контента Adobe Flash Player (10 версии и выше). Имеющийся скомпилированный файл index.html должен быть программно распознан установленным на устройстве пользователя интернет-браузером, но если этого не произошло, следует щелкнуть правой кнопкой мыши по файлу и выполнить команду: «Открыть с помощью...» (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Запуск виртуального лабораторного практикума.

Затем в появившемся выпадающем списке выбрать иконку с изображением интернет-браузера. Если в списке нет интернет-браузера, следует выбрать пункт «Выбрать программу…» и в открывшемся окне так же выбрать иконку с доступным интернет-браузером и нажать кнопку «ОК» (рис. 3.19). После этого откроется окно браузера и начнется загрузка виртуального лабораторного практикума.

Входными данными для пользовательского интерфейса виртуального лабораторного практикума являются действия пользователя: нажатия мышью по управляющим кнопкам и элементам, ввод данных в текстовые формы, выбор элемента из выпадающего списка и т.п.

Выходными данными практикума являются отклики программ на действия пользователя: переход к подменю выбранных элементов рабочего экрана; выдача подсказок виртуального помощника для дальнейших действий по ходу выполнения лабораторной работы; оценка выполненного задания и вынесение итогового балла в специализированную текстовую форму и проч.

Рис. 3.19. Выбор программы для запуска виртуального лабораторного практикума.

Сообщения во время выполнения лабораторных работ носят информативный характер: они регулируют действия пользователя и помогают ему перейти к правильному дальнейшему этапу выполнения работы, а так же дают некоторые полезные сведения об элементах на рабочей области.

Выводы

• Освоены методики и стилистики ранее созданных лабораторных работ виртуального лабораторного практикума как по общей, так и по неорганической химии.

• Разобраны сценарии выполнения лабораторных работ по общей химии, осуществлено знакомство с программным кодом этих работ, проведен критический анализ.

• Выделены стандартные компоненты, которые могут быть использованы для виртуальных практикумов, формализованы алгоритмы операций с данными компонентами.

• Переработан имеющийся программный код для устранения недостатков и его оптимизации, разработано недостающее программное обеспечение для расширения функционала и возможностей.

• Создан программный код, реализующий основные операции с компонентами, сформирован виртуальный лабораторный комплекс с использованием настраиваемых параметров интерактивных компонентов.

• Проведено объединение в единый виртуальный практикум переработанных блоков работ с разработанными ранее блоками работ по дисциплинам “Общая химия” и “Неорганическая химия”.

Список литературы

1. Алпатова Э. С. Современное высшее образование в России и за рубежом: проблемы и вызовы времени // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. 2012. № 5-6. С. 42-47.

2. Стариченко Б. Е. Синхронная и асинхронная организация учебного процесса в вузе на основе информационно-технологической модели обучения // Педагогическое образование в России. 2013. № 3. С. 23-31.

3. Абдулгалимов Р. М., Абдулгалимова Г. Н. Информационные и коммуникационные технологии в системе медицинского образования // Мир науки, культуры, образования. 2013. № 1 (38). С. 3-5.

4. Беспалько В. П. Педагогика и прогрессивные технологии обучения: учебное пособие. Москва: Институт профессионального образования, 1995. 86 с.

5. Стариченко Б. Е. Методика использования информационно-коммуникационных технологий в учебном процессе: учебное пособие. Ч. 1: Концептуальные основы компьютерной дидактики. Екатеринбург: УрГПУ, 2013. 141 с.

6. Сатурина А. Достоинства и недостатки (этапы развития обучения с использованием компьютерных технологий) // Образование в документах. 2014. № 3. С. 48.

7. Полат Е.С., Бухаркина М.Ю., Моисеева М.В., Теория и практика дистанционного обучения: Учебное пособие. // - М.: «Академия». - 2004. - 416 с.

8. Полат Е.С., Моисеева М.В., Петров А.Е., Педагогические технологии дистанционного обучения. // - М.: «Академия». - 2006. - 272 с.

9. Цибульский Г.М., Герасимова Е.И., Ерошин В.В., Модели обучения автоматизированных обучающих систем: Сетевой электронный научный журнал. // - М.: «Системотехника». - 2004. - №2. - 436 c.

10. Успех в жизни. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.yourfreedom.ru/distancionnoe-obrazovanie-rassmotrim-vse-preimushhestva-i-nedostatki/(дата обращения: 04.05.2017 г.)

11. Саданова Б. М., Олейникова А. В., Альберти И. В., Одинцова Е. А., Плеханова Е. Н. Применение возможностей виртуальных лабораторий в учебном процессе технического вуза // Молодой ученый. -- 2016. -- №4. --937 с.

12. А.В. Трухин. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. - 2002. - № 4 (8) .

13. Далингер В.А., Информационные технологии как компонент предметного содержания подготовки магистров математического образования//XII международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2002») 4--8 ноября 2002.

14. Норенков, И.П. Информационные технологии в образовании / И.П. Норенков, А.М. Зимин. - М. : Издательство МГТУ, 2004. - 352 с.

15. Стригин, Е.Ю. Лабораторный физический практикум по изучению фазовых переходов первого рода / Е.Ю. Стригин, Т.Л. Шапошникова // Среднее профессиональное образование. - № 8, 2010. - С. 25-26.

16. Стригин, Е.Ю. Особенности проектирования лабораторного физического практикума в телекоммуникационной системе / Е.Ю. Стригин, Т.Л. Шапошникова // Среднее профессиональное образование. - № 9, 2010. - С. 57-59.

17. VirtuLab. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.virtulab.net (дата обращения: 05.05.2017 г.)

18. STAR. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://star.mit.edu (дата обращения: 05.05.2017 г.)

19. Algodoo. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.algodoo.com (дата обращения: 05.05.2017 г.)

20. PhET. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://phet.colorado.edu (дата обращения: 05.05.2017 г.)

21. Wolfram Demonstrations Project -. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://demonstrations.wolfram.com (дата обращения: 05.05.2017 г.)

22. The ChemCollective -. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.chemcollective.org (дата обращения: 05.05.2017 г.)

23. teachmen.ru -. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://teachmen.ru (дата обращения: 05.05.2017 г.)

24. Late Nite Labs -. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://latenitelabs.com (дата обращения: 05.05.2017 г.)

25. ChemLab [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://modelscience.com (дата обращения: 05.05.2017 г.)

26. Виртуальные лаборатории SunSpireArtgroup. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sunspire.ru (дата обращения: 05.05.2017г.)

27. ЭИ "Химия. 8-11 класс. Виртуальная лаборатория". [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mmlab.ru/products/chemlab/chemlab.shtml(дата обращения: 05.05.2017 г.)

28. Московский институт открытого образования. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mioo.ru(дата обращения: 05.05.2017 г.)

29. Ульяновский государственный технический университет. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ulstu.ru (дата обращения: 05.05.2017 г.)

30. Открытая физика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://physicon.ru/products/courses/catalog (дата обращения: 05.05.2017 г.)

31. Виртуальная химическая лаборатория от компании «Новый диск» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nd.ru/catalog/products (дата обращения: 05.05.2017 г.)

32. Бесков В.С. «Лабораторный практикум по общей химической технологии. Компьютерное моделирование» - учеб. пособие / В.С. Бесков, В.И. Ванчурин, Ю.Л. Вяткин, Е.В. Сучкова, А.П. Федосеев. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева; 2005. - 155с.

33. Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева. Кафедра общей химической технологии. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://oxt.muctr.ru (дата обращения: 06.05.2017 г.)

34. Егоров А.Ф. Разработка автоматизированных лабораторных комплексов: учеб. пособие / А.Ф. Егоров, Т.В. Савицкая, С.П. Дударов, А.В. Горанский, В.П. Бельков, И.Б Шергольд; под общей редакцией профессора А.Ф. Егорова - М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2006. - 176 с.

35. Егоров А.Ф. Математическое моделирование и методы синтеза гибких химических производств. Автоматизированный лабораторный комплекс / А.Ф. Егоров, Т.В. Савицкая, В.П. Бельков, А.В. Горанский; под общей редакцией профессора А.Ф. Егорова - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. - 202 с.

36. Проектирование систем управления с использованием интегрированной среды разработки приложений TRACE MODE. Лабораторный практикум: учеб. пособие / П.Г. Михайлова, А.Ф. Егоров. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. - 70 с.

37. Программный комплекс LabVIEW для моделирования процессов химической технологии. Лабораторный практикум: учеб. пособие / П. Г. Михайлова, Т. В. Савицкая; под редакцией профессора А. Ф. Егорова. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. - 62 с.

38. AdobeFlash. Свободная энциклопедия «Википедия». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Adobe_Flash(дата обращения: 08.05.2016 г.)

39. Васецкий А. М., Красильников И. В., Филиппова Е. Б. Основы Flash технологий - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010 г, 112 с.

40. AdobeAnimateCC. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.adobe.com/ru/products/animate.html(дата обращения: 08.05.2016 г.)

41. ActionScript. Свободная энциклопедия «Википедия». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ActionScript(дата обращения: 08.05.2016 г.)

42. Мук К. ActionScript 3.0 для Flash. Подробное руководство. / пер. с анг. - Спб.: Питер, 2009. - 992с.

43. А.Ф. Воробьев. Практикум по неорганической химии / А.Ф. Воробьев, С.И. Дракин, В.М. Лазарев и др -- М.: Химия, 1984. --248 с, ил.

44. Сутырин А.А. 2011г Разработка информационно-образовательных ресурсов по дисциплине «Общая химия «в модульной объектно-ориентированной среде дистанционного обучения» / дипломная работа, студент - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. - 170с.

45. Кобякова И.А. 2013г Разработка виртуального лабораторного практикума по дисциплине «Общая химия» / дипломная работа, студент - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2013. - 107c.