Материал: Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов

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 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 своё 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 занятии̮ кафедры общей и неорганической химии.

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

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

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

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

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

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

) 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).

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

) 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;

·        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:

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

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

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

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

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

) Сделать корректной проверку знаний пользователя.

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

) 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).