OBRAZOWANIE ZAGADNIEŃ OCHRONY ŚRODOWISKA W PODRĘCZNIKU AKADEMICKIM DYDAKTYKA OCHRONY

ŚRODOWISKA

Procesy przyrodnicze (fizyczne, chemiczne biologiczne i geograficzne) prze­ biegają w dynamicznej przestrzeni trójwymiarowej i przedstawienie ich w zmniej­ szonej liczbie wymiarów powoduje często ich błędne rozumienie. Uzasadnione wy­ daje się więc poszukiwanie efektywnych metod wizualizacji wybranych zagadnień dydaktycznych. Szczególnie użyteczna jest w tym zakresie technika komputerowa umożliwiająca, dzięki złożonym narzędziom, tworzenie unikalnych obrazów ilustrują­ cych lub wizualizujących nauczane zagadnienia.

Środki dydaktyczne oparte na technice komputerowej zajęły ważną i wyraźnie określoną pozycję w dydaktyce chemii i przyrodoznawstwa. W spomagają one w sposób znaczący kształcenie na różnych poziomach edukacji. Obecnie coraz więk­ szą uwagę skupia się na zagadnieniach nauczania zdalnego zwłaszcza w kontekście wzrostu popularności Internetu. Nauczanie w tym zakresie może być także wspo­ magane technicznymi środkami dydaktycznymi bazującymi na hipermedialnych pro­ gramach komputerowych w Internecie.

W pracy badawczej prowadzonej w Zakładzie Dydaktyki Chemii UAM zreali­ zowano liczne wizualizacje zagadnień przyrodoznawstwa dla potrzeb nauczania za pośrednictwem multimedialnego podręcznika Dydaktyka ochrony środowiska, a mia­

PODRĘCZNIK MULTIMEDIALNY D Y D A K T Y K A O C H R O M S R O D U I U S H ' 1071

nowicie zobrazowano zagadnienia z następujących zakresów: struktury’ atomowe, proste związki chemiczne, makrostruktury, procesy i zjawiska fizyczne, mechaniz­ my reakcji chemicznych, procesy i zjawiska ekologiczne, wykresy i grafy, schematy cykli bio-geochemk iych pierwiastków i związków chemicznych [31],

Podczas tworzenia sekwencji filmowych obrazujących zagadnienia zawarte w podręczniku Dydaktyka ochrony środowiska korzystano z narzędzi komputero­ wych o różnym poziomie złożoności, do których należały:

• programy wizualizujące związki chemiczne;

• programy do statycznego i dynamicznego modelowania przestrzennego obiek­ tów;

• programy do składu cyfrowych sekwencji filmowych: • programy do składu stron w HTML;

• programy do rejestracji materiałów cyfrowych w formacie CDR oraz DV. Modelowanie obiektów przestrzennych byłojednym z najczęściej stosowanych metod tworzenia bazy do wizualizacji. Zastosowano tu programy deklarowane do specyficznych zadań (jak to było w przypadku edytorów wzorów strukturalnych oraz edytorów modeli - „CambridgeSoft ChemOffice”), a także uniwersalne programy graficzne pozwalające modelować proste i złożone obiekty przestrzenne. Z tych ostat­ nich wybrano programy z opcjami umożliwiającymi obrazowanie obiektów o zmien­ nej lub nieokreślonej geometrii („MetaCreation Infini-D”), gdyż przew'idyw'ano ich zastosowanie w obrazowaniu dynamicznych procesów' chemicznych i przyrodni­ czych. Wybrano także nowoczesne programy do modelowania pejzaży i obrazów7 środowisk przyrodniczych („MetaCreation Bryce”) [32],

Projektowanie dynamicznych wizualizacji było kluczową metodą tworzenia bazy do wizualizacji. Przygotowanie modelu statycznego jest zwykle tylko pierwszym etapem prac. Projektowanie dynamicznych wizualizacji opiera się na odpowiednim zdefiniowaniu w czasie przekształceń modeli lub ich przemieszczenia. Stosowano także wyspecjalizowane programy do tworzenia animacji interakcyjnych („Macro­ media Director”) [33].

Wszystkie przygotowane wizualizacje zostały zarejestrowane na płycie CD-ROM oraz taśmie DV. Rejestracja na obu nośnikach pozwala na prezentację otrzymanego materiału na ekranie komputera i monitora telewizyjnego, dzięki czemu wzrasta jego dostępność. Przygotowane sekwencje animowane oraz ilustracje uzupełniają internetowy zbiór tego typu sekwencji dostępny na internetowych stronach ZDCh.

Przed dokonaniem wyboru elementów przydatnych do wizualizacji stron podrę­ cznika Dydaktyka ochrony środowiska wyselekcjonowano bloki tematyczne, obej­ mujące charakterystyczne przykłady stosowanych wizualizacji. Jako podstawa wybo­ ru zagadnień do wizualizacji posłużyła podstawa programowa nauczania chemii i przedmiotów przyrodniczych. Przygotowane wizualizacje reprezentują najistot­ niejszą część wybranych do obrazowania zagadnień i stanowią podstawę do tworze­ nia kolejnych wizualizacji w danej grupie. W ramach pracy przygotowano sto osiem­ dziesiąt dynamicznych i interaktywnych sekwencji, których ogólna charakterystyka

1072 A. B U REW ICZI IN.

zostanie przedstawiona na kolejnych stronach. Wybrano następujące bloki zagad­ nień:

1. Obrazowanie struktur atomowych, np.: a. schemat modelu atomu;

b. orbitale atomowe i cząsteczkowe. 2. Obrazowanie związków chemicznych, np.:

a. gazy cieplarniane; b. alkany;

c. estry;

d. stany wibracyjne cząsteczek; c. aspiryna;

f. witamina C.

3. Obrazowanie makrostruktur, np.: a. makrocząsteczki DNA, RNA; b. kryształy i minerały.

4. Obrazowanie procesów i zjawisk fizycznych, np.: a. model procesu rozpuszczania;

b. zmiany stanu skupienia; c. doświadczenie Rutherforda;

d. oddziaływanie promieniowania na materię; e. etapy rozszczepienia jądra atomu.

5. Obrazowante mechanizmów reakcji chemicznych, np.:

a. reakcje fotochemiczne; b. fotosynteza.

6. Obrazowanie mechanizmów biologicznych, np.: a. kataliza enzymatyczna; b. glikoza; c. cykl Krebsa; d. oddychanie komórkowe; e. cutotrofizm; f. cykl Calvina; g. skurcz mięśni; h. replikacja DNA; i. klonowanie genów.

7. Obrazowanie procesów i zjawisk ekologicznych, np.: a. efekt cieplarniany; b. dziura ozonowa. 8. Wykresy i grafy, np.: a. krzywe miareczkowania; b. krzywe kinetyczne 9. Schematy, np.:

a. przemysłowe metody otrzymywania amoniaku; b. schemat oczyszczalni ścieków.

10. Schematy cykli bio-gcochcmicznych pierwiastków i związków chemicznych, np.: a. wody; b. tlenku węgla(IV); c. tlenu; d. azotu; c. siarki; f. ołowiu; g. fosforu.

Obrazy orbitali atomowych zostały stworzone na podstawie funkcji falowych i stanowią odzwierciedlenie aktualnych poglądów na ten temat. W izualizacja zosta­ ła stworzona w programie „Electron Clound M apper (ECM Alpha)” [34], Umożli­ wia on projektowanie chmur elektronowych atomów o najprostszych stanach ener­ getycznych. W zależności od całki liczb kwantowych możliwe jest rysowanie praw­ dopodobieństwa elektronowego w dwóch i trzech wymiarach. W oparciu o stale dos­ tępną instrukcję, możliwe jest definiowanie orbitali (orbital f nie jest załączony, ale program może go stworzyć).

Wizualizacja orbitali atomowych pxpyp z oraz orbitali cząsteczkowych 5 i p zo­ stała stworzona w programie: „MetaCreation Infini-D” [35]. Poszczególne orbitale

PODRĘCZNIK MULTIMEDIALNY D Y D A K T Y K A O C H R O X Y Ś R O D O W IS K A 1073

powstały poprzez modyfikacją obiektu obrotowego, któremu za pomocą opcji „Edit object” nadawano odpowiednie kształty i fakturę w kolejnych odstępach czasu.

Interaktywna wizualizacja budowy alkanów i estrów powstała kolejno w pro­ gramach: „CambridgeSoft ChemDraw 4.5”, „CambridgeSoft Chem3D” i „Macro­ m edia Director”. Obrazy cząsteczek poszczególnych alkanów po narysowaniu w pro­ gram ie „CambridgeSoft ChemDraw'” i zapisaniu ich obrazowego modelu w forma­ cie CSCD, zostały wprowadzone do programu „CambridgeSoft Chem3D”, gdzie utw'orzono sekwencje animowane (36). Sekwencje te zostały wprowadzone do pro­ gram u „Macromedia Director” i tam odpowiednio uszeregowane i uzupełnione o te­ ksty i interakcje.

Zasadnicza część wizualizacji aspiryny powstała w programie „MetaCreation Infini-D”. Model cząsteczki aspiryny stworzono w programie „CambridgeSoft Chem­ D raw ”, została ona importowana do programu „CambridgeSoft Chem3D”, gdzie zapisano obrazowy model cząsteczki w formacie PDB. Aby cząsteczka mogła być importowana do programu „Infini-D” plik PDB został przekonwertowany do posta­ ci 3DMF za pom ocą programu do konwersji „PDB-na-3DMF”. Dzięki temu można było uniknąć tworzenia jej bezpośrednio w programie „MetaCreation Infini-D” co pozwoliło na zachowanie odpowiednich proporcji i ujednolicenia kolorystyki wizua­ lizowanych atomów. Pozostałe elementy animacji powstały bezpośrednio w progra­ m ie „M etaCreation Infini-D”.

Skały i minerały skałotwórcze zostały przedstawione z pomocą trzech różnych wizualizacji: w postaci sekwencji filmowych, interaktywnych sekwencji w systemie wirtualnej rzeczywistości oraz filmów stereoskopowych. Sekwencje filmowe pow­ stały poprzez rejestrację jednego, pełnego obrotu kryształu lub minerału. Następnie wszystkie sekwencje zostały zapisane w postaci cyfrowej w programie „Quick Time Player”. Te podstawowe wersje filmów zostały wykorzystane do stworzenia sekwencji interaktywnych i stereoskopowych. Sekwencje interaktywne powstały w programie „QuickTime VR”, gdzie z podstawowej sekwencji filmowej stworzono obiekt QTVR. A by stworzyć film stereoskopowy z wersji podstawowej utworzono w programie „Q uick Time Player” dwie wersje robocze filmów, które następnie złożono w jeden film w programie „AdobePremiere”.

W izualizacja efektu cieplarnianego powstała w programie „MetaCreation Bry­ ce” . Obiekt szkłami został stworzony w programie „MetaCreation Infini-D” i prze­ słany do programu „MetaCreation Bryce” w formacie 3DMF, gdzie została mu nadana tekstura szkła. Wszystkie strzałki (czyli obrazujące promieniowanie UV i wydziela­ ją c e się ciepło) powstały również w programie „MetaCreation Infini-D”, poprzez

modyfikacje innych obiektów. Po wyeksportowaniu do programu „MetaCreation Bryce”, nadano im odpowiednie tekstury. Animacja powstała poprzez zmianę poło­ żenia poszczególnych strzałek w kolejnych odstępach czasu i zrenderowaniu pro­ jek tu w formacie „QuickTime Movie”.

Wizualizacja uzupełniająca powstała w programie „MetaCreation Bryce”. Frag­ m enty przyrody powstały poprzez modyfikację obiektu „góra”, który można mode­ lować w dowolny sposób. Do zobrazowania deszczu posłużył obiekt w kształcie

1074 A BLREWICZ [ I \

walca. Nadano mu teksturę deszczu (Rain Map), a następnie zmieniono jej kolor. Animacja powstała poprzez zmianę położenia kamery w kolejnych odstępach cza­ su.

Łącznie wybrano piętnaście ogólnych tematów wizualizacji w sześciu katego­ riach. W ramach pracy przygotowano sto osiemdziesiąt dynamicznych i interaktyw­ nych sekwencji. Większość z nich (w zależności od charakteru wizualizacji) uzupeł­ niono o adekwatny komentarz słowny. Przygotowane w ramach tego projektu sek­ wencje animowane oraz ilustracje udostępniono w postaci internetowego zbioru sekwencji dostępnych na internetowych stronach Zakładu Dydaktyki Chemii UAM: (http://zdch.amu.edu.pl). W ten sposób m ogą one skutecznie wspomagać proces nauczania wybranych zagadnień w znacznej liczbie szkół polskich i zagranicznych. Przygotowane sekwencje poddano ocenie odnosząc ich cechy do charakterystyki obrazowania chemicznego. Poddano je siedmiopunktowej charakterystyce wyróż­ niającej odpowiednio: kategorie, wymiarowość, stopień, funkcje, kontekst metodycz­ ny, stosunek do eksperymentu oraz medialność wizualizacji [37], Ustalono zakres stosowania wybranych kategorii. Ważnym elementem pracy było ustalenie podsta­ wowych metod obrazowaniu za pomocą narzędzi komputerowych. D rogąjaką w ten sposób wyznaczono m ogą postępować studenci i uczniowie chętni do rozszerzenia przygotowanego zbioru sekwencji.

7. OBRAZY STATYCZNE I SEK W EN C JE FIL M O W E W PO D RĘCZN IK U