E-chemia - wprowadzenie

Termin ‘e-chemia’ ma dużą pojemność semantyczną i definiuje się szeroki zbiór zagadnień określanych potocznie jako „elektroniczna chemia” związanych z zastosowaniem komputerów oraz sieci komputerowej w chemii [1]. Etymologia słowa ‘e-chemia’ wskazuje na dodanie litery ‘e’ do słowa chemia dla podkreślenia wkładu rozwiązań elektronicznych w rozwój chemii*,†

. W poprzednich rozdziałach przedstawiono przykłady zastosowania komputerowych technik obliczeniowych wykorzystanych do prognozowania właściwości cząsteczek (pochodnych aniliny) oraz modelowania przebiegu procesów chemicznych. Jednak szeroko rozumiany rozwój komputeryzacji znacząco wpłynął nie tylko na ekspansję chemii obliczeniowej, lecz także odcisnął swoje piętno w wielu innych aspektach chemii. Pierwszym etapem badań jest na ogół zgromadzenie odpowiedniej informacji naukowej. W tym przypadku znakomicie sprawdzają się specjalistyczne bazy danych, umożliwiające nie tylko wyszukiwanie informacji naukowej po słowach kluczowych, lecz także poprzez wprowadzenie struktury lub fragmentu struktury poszukiwanego związku. Co więcej, bazy faktograficzno– bibliograficzne jak Reaxyx [4]^‡, będące powiązaniem intuicyjnej wyszukiwarki reakcji chemicznych, bazy publikacji, bazy związków chemicznych (zawierającej charakterystyki związków wraz z odnośnikami oraz unikalne numery związków CAS) oraz bazy patentów, pozwalające nie tylko na wyszukiwanie związków, lecz także znacząco ułatwiają projektowanie reakcji chemicznej. Przykładowo użytkownik może wprowadzić do aplikacji struktury substratu oraz produktu, a program przeszuka dostępne publikacje, sprawdzając czy dana reakcja nie została wcześniej opisana. Jeśli reakcja przebiega w kilku etapach „wyszukiwarka” może wskazać odnośniki literaturowe, w których zostały opisane poszczególne przejścia i warunki prowadzenia reakcji. Natomiast jeśli syntezowany jest unikalny związek chemiczny, jeszcze nie opisany w literaturze, „inteligentny” program powinien nam wskazać odnośniki dla reakcji jak najbardziej

* Podobną analogię można dostrzec w słowie e-nauczanie (ang. e-learning), oznaczającym wsparcie procesu nauczania przez media elektroniczne i sieć Internet.

†

O popularności terminu ‘e-chemia’ świadczy wzrastająca ilość kursów i portali chemicznych o tej samej semantyce (przykładowo kurs E-chemia udostępniony w ramach projektu Open AGH [2] oraz portal www.e-chemia.pl Politechniki Rzeszowskiej [3].

‡ Baza Reaxys, zawiera komplet danych z baz CrossFire Belstein, CrossFire Gmelin oraz Patent Chemistry Database.

„podobnych” związków chemicznych. Można pokusić się wręcz o stwierdzenie, iż obecnie chemik wykorzystuje „komputery” prawie we wszystkich etapach swojej pracy, począwszy od poszukiwań literaturowych, poprzez projektowanie reakcji chemicznych, wykorzystywanie specjalistycznego oprogramowania do pomiarów i analizy danych, skończywszy na projektowaniu instalacji chemicznych, wdrażaniu rozwiązań komercyjnych lub przygotowaniu publikacji [1]. Swoiste piętno rozwiązań elektronicznych można dotrzeć między innymi na stronie Biblioteki Głównej i Ośrodka Informacji Naukowo-Technicznej Politechniki Wrocławskiej, gdzie odnośniki do materiałów bibliograficznych zostały oznaczone jako „e-Czasopisma” oraz „e-Źródła A-Z”.

Termin ‘e-chemia’ wiąże się także z procesem dydaktycznym, nauczania uczniów i studentów chemii z wykorzystaniem nowych technologii informatycznych [5]. Przykładowo studenci Wydziału Chemicznego na Politechnice Wrocławskiej zapoznają się z metodami obliczeniowymi oraz technikami modelowania molekularnego cząsteczek (rys. 3.1). Warunkiem zaliczenia laboratorium komputerowego z bioinformatyki jest wykonanie indywidualnego projektu związanego z obliczeniami kwantowymi. Indywidualny projekt z chemii organicznej wymaga od studenta zaprojektowania syntezy związku chemicznego w oparciu o komputerową bazę związków chemicznych i publikacji. Studenci biochemii, korzystają natomiast z komputerowej bazy danych do wyszukiwania sekwencji i struktur biologicznych oraz analizy filogenetycznej. Osobną grupę stanowią zajęcia z inżynierii chemicznej związane z projektowaniem instalacji chemicznych w różnych skalach. Co ciekawe, cześć projektów chemicznych studenci wykonują zdalnie. Studenci wykonujący projekt z chemii kwantowej, przesyłają zadania poprzez sieć Internet do Wrocławskiego Centrum Sieciowo-Superkomputerowego, gdzie wykonywane są obliczenia. Rozwiązanie takie eliminuje problem licencji, gdyż program wykonujący obliczenia zainstalowany jest na zdalnym komputerze (klastrze), a dodatkowym atutem dla studentów dysponujących gorszym sprzętem komputerowym jest możliwość wykonywania skomplikowanych i czasochłonnych projektów obliczeniowych. Usługi kampusowe umożliwiają także zdalną pracę z aplikacjami interakcyjnymi (graficznymi) w środowisku MS Windows, jak np. Sybyl, Matlab lub Simulink. W ten sposób aplikacje mogą być zainstalowane na serwerze zdalnym, a dostęp użytkownika do systemu odbywa się w sposób jednolity poprzez protokół RDP [6]. Obecnie rozwijany jest także ogólnopolski projekt PL-GRID [7], dzięki któremu zarejestrowani użytkownicy poprzez stronę WWW mogą wykonać obliczenia w jednym z polskich centrów superkomputerowych i wykorzystywać takie programy chemiczne jak ADF, Autodock, molpro, Turbomole,

Biomem, MOPAC, GAMESS, NWChem, czy wspomniany pakiet Gaussian. Rozwiązanie to pozwala użytkownikom korzystać z infrastruktury ośrodków obliczeniowych oraz wykonywać zdalnie obliczenia, nawet jeśli nie są one licencjonowane w ich macierzystych ośrodkach naukowych.

Rys. 3.1. Przykład zadania „powiązanego” z imieniem i nazwiskiem studenta: malonylo-koenzym A, projekt pani Małgorzaty Arlety Kluby.

Z punktu widzenia uczelni, ważnym tematem związanym z ‘e-chemią’ jest kwestia nowych podręczników. Zgodni z planami Ministerstwa Edukacji Narodowej każdy papierowy podręcznik, będzie musiał mieć swój elektroniczny odpowiednik. Jednak e-podręcznik nie powinien być tylko samą książką umieszczoną w sieci Internet. Konstrukcja plików hipertekstowych umożliwia powiązanie głównej treści podręcznika ze słownikiem chemicznym, odsyłaczami do układu okresowego, a także do szczegółowego opisu omawianych zagadnień dla bardziej dociekliwych czytelników. Tradycyjne książkowe podręczniki często zawierają opisy reakcji chemicznych lub procesów, których demonstracja z przyczyn obiektywnych może być trudna lub nawet niemożliwa podczas zajęć, natomiast w przypadku e-podręcznika znakomitym uzupełnieniem takiego opisu może być załączony odpowiedni film lub animacja komputerowa. E-podręcznik umożliwia także interaktywną pracę ucznia z załączonym materiałem, a nawet dostęp do wirtualnego laboratorium chemicznego. Najprostsze dostępne na rynku programy pozwalają uczniowi sprawdzić np. w jakich warunkach po zmieszaniu dwóch substancji utworzy się osad i jakiego będzie on koloru. Natomiast bardziej zaawansowane programy, jak przedstawione na rysunku 3.2 wirtualne laboratorium [8, 9], umożliwiają odtworzenie szeregu procesów chemicznych na ekranie komputera, a także interaktywne rozwiązywanie problemów chemicznych*

. E-podręcznik umożliwiają pojedynczemu

* Przykładowo, aby przeprowadzić zadaną reakcję w zadaniu, użytkownik na ekranie komputera musi zbudować model odpowiedniej aparatury chemicznej oraz wybrać odpowiednie substraty z bazy reagentów dostępnej w programie.

czytelnikowi tworzenie własnych notatek oraz tworzenie autorskich wersji podręcznika przez grupę uczniów lub studentów. Uczniowie mogą rozwijać e-podręcznik dołączając np. zdjęcia samodzielnie przeprowadzanych eksperymentów, co może być dla nich bodźcem do starannego wykonania i przedstawienia doświadczeń opisanych w e-podręczniku. Modulatorem zawartości e-podręcznika może być wreszcie sam nauczyciel aktualizujący zawartość podręcznika i udostępniający poszczególne partie materiału zgodnie z przebiegiem zajęć lub akceptujący wpisy dodawane przez uczniów.

Rys. 3.2. Zbiór zadań zawartych w wirtualnym laboratorium chemicznym [3].

Obecnie wyzwaniem jest przygotowanie podręcznika interdyscyplinarnego, który mógłby sam „zauważyć”, jakie są omawiane tematy z innych przedmiotów, jak fizyka, czy biologia i na tej podstawie wybrać problemy, które będą w sposób przekrojowy sprawdzały wiedzę ucznia. Przyszłością może być także zunifikowany i „inteligentny” e-podręcznik, który śledząc postępy ucznia, będzie mógłby określać, które partie materiału należy ewentualnie powtórzyć, lub zgodnie z zainteresowaniami ucznia, będzie mógł go odesłać do dodatkowych materiałów rozwijających jego wiedzę.

Alternatywą dla przedstawionej koncepcji „uniwersalnego podręcznika” są portale chemiczne, takie jak np. Portal Chemiczny Politechniki Rzeszowskiej [3], Portal Wspierania Dydaktyki Politechniki Wrocławskiej [10], czy otwarte zasoby edukacyjne

Open AGH [2]. Szeroki spektrum prezentowanych na e-portalach kursów odzwierciedla różne koncepcje elektronicznego wspomagania dydaktyki. Począwszy od zamieszczania na portalu „statycznych” instrukcji i list zadań dla studentów, poprzez wykłady prelegentów udostępnione on-line, animacje*

i interaktywne prezentacje, skończywszy na e-lekcjach i elektronicznych sprawdzianach służących do weryfikacji wiedzy studentów. Konstrukcja e-kursów umożliwia udostępnienie poprzez e-portal specjalistycznych narzędzi, pozwalających np. na symulację widm EPR lub NMR. Portale edukacyjne coraz częściej, oprócz samego udostępniania materiałów dydaktycznych, dają użytkownikom szereg dodatkowych aktywności jak quizy sprawdzające poziom wiedzy, lub specjalne fora internetowe, gdzie użytkownicy mogą wymieniać się informacjami związanymi z danym przedmiotem [11-16].

Rys. 3.3. Portale chemiczne Politechniki Rzeszowskiej oraz Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej.

Spośród całego wachlarza zagadnień związanych z e-chemią i procesem dydaktycznym, w niniejszym rozdziale skupiono się na zagadnieniu kontroli kompetencji studentów chemii na przykładzie e-kolokwiów. Temat ten wybrano, gdyż z jednej strony budzi on wiele emocji, a z drugiej strony przedstawia on nowatorskie w skali kraju rozwiązania dydaktyczne wdrożone na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Dodatkowo przedstawiono założenia „elektronicznego korepetytora” jako przykład kursu wyrównawczego z chemii z wykorzystaniem technologii informacyjno-komunikacyjnych.

* Ciekawym narzędziem udostępnionym na portalu Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej jest moduł jmol, umożliwiający interaktywną wizualizację cząsteczek w trybie 3D.