Разработка программных средств для моделирования трехмерных шарострержневых моделей молекул
Аспирант ТГСПА им. , г. Тобольск
На сегодняшний день моделирование молекул и химических реакций вызывает особый интерес у исследователей. Это связано с технологическим развитием и инновационным переоснащением страны, новыми требованиями к квалификации специалистов в соответствующих областях. Проанализировав рынок программных продуктов в исследуемой области, мы пришли к выводу, что наибольшим спросом в учебных заведениях пользуется незначительное число программных средств, среди которых можно выделить учебный комплекс «1С: Репетитор. Химия» и профессиональное средство молекулярного моделирования HyperChem. В качестве образовательной альтернативы мы предлагаем конструктор химических реакций, предназначенный для решения учебных задач в процессе обучения химии.
Программный комплекс «Конструктор химических реакций» является информационно-программным средством учебного назначения и предназначен для автоматизации работы учителя химии по созданию, хранению и демонстрации электронных трехмерных шарострержневых моделей молекул, а также по созданию, хранению и демонстрации (в динамике) моделей химических реакций с участием шаростержневых моделей молекул.
В предлагаемой версии программного продукта «Конструктор химических реакций» v.1.0 акцент сделан на визуальное моделирование, которое позволит преподавателю создавать интерактивные трехмерные шарострержневые модели молекул и соответствующие химические реакции. Однако, в отличие от многих подобных разработок, система не использует трехмерную графику. Вместо этого используется собственный алгоритм «псевдо трехмерного» изображения объектов, оптимизированный для выполнения функций программы, и, поэтому менее требовательный к вычислительным ресурсам оборудования (таблица №1).
Таблица №1. Программно-аппаратные требования
Параметр | Минимальный показатель | Рекомендуемый показатель |
Процессор | процессор с тактовой частотой 500 мегагерц (МГц) | процессор с тактовой частотой 1 гигагерц (ГГц) или выше |
Оперативная память | 256 МБ | 512 МБ |
Сетевой адаптер (нужен только при работе с БД с удаленного компьютера) | 10 Мбит/с | 100 Мбит/с |
Свободное место на жестком диске (не считая объема, занимаемого используемыми приложениями) | 20 МБ или больше, в зависимости от объема пользовательских шаблонов, данных, сохраненных пользователем и др. | |
Монитор и видеоплата | Разрешение 800x600 | Разрешение 1024x768 или больше |
Устройства ввода | Клавиатура и мышь, или совместимое устройство ввода | |
Операционная система | Windows XP | Windows XP SP3 или более современная |
Сервер MySQL | Версия 5.0 | Версия 5.0.21 или выше |
Internet Explorer | Версия 6.0 | Версия 8.0 или выше |
Программный комплекс «Конструктор химических реакций» включает визуальный конструктор трехмерных моделей и интерактивную периодическую таблицу химических элементов . Комплекс предоставляет широкие возможности по накоплению учебно-методических материалов (текст, графика, видео), позволяет создать и развивать банк моделей молекул и реакций, создавать их резервные копии и легко переносить данные на другой компьютер. Кроме того, система позволяет создавать «учебные плакаты» в формате веб-страниц с описанием молекул (реакций), графическим изображением структуры модели и списком обозначений, что делает ресурсы комплекса удобными для использования в учебном процессе (разработка презентаций, использование для самостоятельной работы школьников без дальнейшего задействования системы и т. д.).
Предусмотрено два режима работы «Конструктора химических реакций»: 1) быстрое визуальное, неточно воспроизводящее валентные углы и длины связей конструирование молекул, 2) точное, основанное на численных значениях координат атомов конструирование молекул. В обоих режимах предусмотрено задание цвета и размеров атомов при конструировании молекул и реакций.
Модель реакции представляет собой автоматически генерируемую анимированную сцену, демонстрирующую превращение молекул веществ, путем перегруппировки атомов и изменения связей между ними. Основой для создания реакции являются исходные вещества и продукты реакции. При формировании сцены используются некоторые упрощения, позволяющие автоматизировать процесс создания модели реакции.
Система формирует файлы в удобном для дальнейшего использования форматах: изображение модели, кадра реакции (растровое изображение, bmp, jpg, растровое изображение c прозрачностью, png), информация о молекуле, реакции (Гипертекстовая страница, html), Снимок базы данных (Текстовый файл, sql, txt)
Как уже отмечено выше, одной из важных особенностей системы является ее направленность не на предоставление учителю уже готовых материалов, которые закладывает разработчик программы, а на накопление собственной базы учебно-методических материалов. Это во многом определило архитектуру программы и ее ключевые функции. Программный продукт имеет архитектуру клиент-сервер и рассчитан на работу в многопользовательском режиме. Пользователи системы имеют доступ к ресурсам в зависимости от предоставленных прав доступа: администратор определяют политику безопасности системы, настройку прав и доступа к ресурсам; учитель создает, модифицирует информацию, администрирует курс; ученик выполняет домашние задания, имеет доступ в режиме чтения к учебной информации. В качестве СУБД выступает свободно распространяемая система MySQL 5.0. Клиентское программное обеспечение спроектировано с использованием визуальной среды программирования Delphi 2010.
Перечень программного обеспечения, которое было использовано на разных этапах проектирования системы, представлено в таблице №2.
Таблица №2. Перечень программного обеспечения
Программа | Назначение | Этап работы |
Delphi 6 | Среда разработки | Разработка приложения |
GIFImage | Свободно распространяемый компонент Delphi для работы с изображениями в формате gif | Разработка приложения |
PNGImage | Свободно распространяемый компонент Delphi для работы с изображениями в формате png | Разработка приложения |
MS Paint | Графический редактор | Подготовка изображений для использования в дизайне приложения |
Сервер MySQL v 5.0.21 | СУБД | Тестирование и отладка |
ConTEXT 0.98.6 | Текстовый редактор | Подготовка документации |
MS Word 2003 | Текстовый процессор | Подготовка документации |
На рисунке 1 приведена схема организационной структуры программного комплекса, которая демонстрирует взаимодействие пользователей системы и распределение ролей.
Рис. 1. Организационная структура программного комплекса «Конструктор химических реакций»
Таким образом, разработанный программный комплекс «Конструктор химических реакций» v.1.0. позволяет решать следующие задачи в процессе визуального моделирования:
1. Формирование, просмотр, модификация данных в интерактивной таблице (с поддержкой HTML-форматирования);
2. Визуальное конструирование шаростержневых моделей молекул путем перемещения изображений атомов на рабочее поле или путем компоновки имеющихся моделей с последующим сохранением в базе данных. Сохранение изображения модели в виде файла bmp, png и jpg;
3. Загрузка из базы данных и просмотр модели молекулы. Просмотр информации о выбранной модели (с поддержкой HTML-форматирования). Изменение масштаба модели в диапазоне от 25 до 300% от первоначального;
4. Произвольное вращение модели в трех плоскостях при помощи «мыши» (имеются три предустановленных положения модели);
5. Загрузка из базы данных и просмотр модели химической реакции в динамике. Просмотр информации о выбранной реакции (с поддержкой HTML-форматирования). Управление ходом демонстрации реакции (начало, приостановка, остановка, изменение скорости, ручное управление временем реакции). Сохранение изображения кадра реакции в виде файла bmp, png и jpg;
6. Произвольное вращение модели реакции в трех плоскостях в том числе во время хода реакции (имеются три предустановленных положения модели). Изменение масштаба модели реакции в диапазоне от 25 до 300% от первоначального;
7. Создание и сохранение в базе данных реакций из имеющихся моделей;
8. Изменение описания всех объектов приложения (химических элементов, молекул, реакций);
9. Сохранение в виде веб-страниц моделей молекул и реакций (с описанием, изображениями и списком использованных обозначений);
10. Использование пользовательских шаблонов для выходных веб-страниц;
11. Управление списками молекул и реакций (добавление, удаление, изменение, переименование и др.);
12. Запуск с параметрами командной строки для ограничения возможностей редактирования (режим просмотра таблицы , режим просмотра модели молекулы, режим просмотра модели реакции);
13. Идентификация пользователей для предотвращения несанкционированного изменения содержимого базы данных;
14. Создание резервной копии базы данных для последующего восстановления в случае необходимости.
Полученные модели являются управляемыми и интерактивными, они могут стать отличными помощниками при изучении строения вещества, состава молекул, строения кристаллической решетки и т. д. Представленный программный продукт может применяться для компьютерной поддержки изучения органической и неорганической химии в общеобразовательной школе, на подготовительных курсах в вузах, в профессионально-технических училищах и техникумах, на младших курсах вузов в процессе преподавания дисциплин соответствующей направленности. Программа зарегистрирована в объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (свидетельство о регистрации электронного ресурса № 000 от 22 октября 2010 года)
