Interaktivni računalniški modeli za analitično kemijsko poučevanje

Tom O’Haver
Profesor emeritus
Oddelek za kemijo in biokemijo
Univerza Maryland na College Parku
toh@umd.edu

http://terpconnect.umd.edu/~toh/models/

Zadnja posodobitev: januar, 2016

Spektroskopija Instrumentacija in metodologija


Barvna temperatura črnega izvora

Animirana difrakcijska mreža

Fotomultiplier Svetloba Merjenje Sistem

Monokromator

Primerjava analitskih kalibracijskih metod

Spektrometrija z več valovno dolžino

Zaklepanje ojačevalnika

Modulacijski sistem valovnih dolžin

Molekularna spektrometrija


U.V.-vidni spektrofotometer

Spektrofotometer z dvojno valovno dolžino

Instrumentalna odstopanja od Beerovega zakona

Metode umerjanja krivulje v absorpcijski spektroskopiji

Razmerje med signalom in hrupom absorpcijske spektrofotometrije

Učinek razrezane širine na razmerje med signalom in hrupom v absorpcijski spektroskopiji

Skeniranje fluorescenčnega spektrometra

Fluorescenčna spektroskopija Razmerje med signalom in hrupom

Atomska spektrometrija


Signal in Photon SNR atomskega emisijskega spektrometra

Učinek razrezane širine na emisijsko spektroskopijo SNR

Prekrivanje linijskih kril
Spektroskopija atomske absorpcije  

Klasične, električne in računske metode

Delovni listi za analitične kalibracijske krivulje 


Kalcijev ionski selektivni elektrodni model

Resolucija kapilarne kromatografije

Model diskretne ravnovesne kromatografije

Analiza podatkov titracije Triprotic

Model monoprotske titracijske krivulje

To je zbirka brezplačnih, prenosljivih, interaktivnih računalniških modelov skupnih analitskih instrumentov in tehnik. Večina ima vmesnik s točko in klikom; kliknete gumbe in povlečete drsnike za nadzor spremenljivk in model se odziva dinamično, pogosto veliko hitreje kot v realnem času. Upoštevajte, da to dejansko niso simulacije določenih komercialnih instrumentov. So precej interaktivno manipulativni matematični modeli, ki so v bistvu sklopi povezanih enačb, ki opisujejo različne dele ali vidike vsakega sistema. Prednost povezave teh enačb v preglednici je ta, da učencem in inštruktorjem omogočita, da raziščejo, kako te zveze učbenikov vplivajo drug na drugega. Moji modeli vam omogočajo, da spremenite številne kemične in instrumentalne spremenljivke, ki vplivajo na izid, vključno z ne samo spremenljivkami, ki so običajno nastavljive v laboratoriju (kot je valovna dolžina spektrometra ali koncentracija kemične raztopine), ampak tudi instrumentalne spremenljivke zasnove, ki jih določi proizvajalec instrumentov in jih eksperimentator običajno ne more prilagoditi (kot je gostota reže ali goriščna razdalja spektrometra).

Večina preglednic izdeluje grafe in grafikone, ki ponazarjajo notranjo delovanje ali posnemajo izhode, ki jih ustvarjajo ti sistemi. Ker so le preglednice, je učiteljem in učencem enostavno pregledati enačbe, ki vozijo te modele. Za razliko od zaprtih lastniških programov, matematična osnova teh modelov ni skrita, temveč lahko dostopna in je lahko pregledana, spremenjena, popravljena ali razširjena s strani inštruktorja, ki je seznanjen z osnovami moderne preglednice.

Te modele sem prvotno oblikoval za tečaje, ki jih sem poučeval med leti 1990 na Univerzi v Marylandu v College Parku: Instrumentalna analiza (visoki dodiplomski dodiplomski laboratorij) in spektrokemijske metode (tečaj predavanj). Tablice so temeljile na ravni zdravljenja v učbenikih za te tečaje in so bile zasnovane tako, da jih posamezni učenci uporabljajo kot domačo nalogo za uporabo v razredu v računalniškem laboratoriju, v laboratoriju za analizo učencev podatkov ali kot dodatek laboratorijskim poskusom, da bi omogočili preiskave osnovnih vedenjskih sistemov, za katere čas v laboratoriju ni na voljo. Tablice lahko uporablja tudi inštruktor v predavalskih predstavitvenih okoljih. V večini primerov so vključeni izročki študentov in predlagani poskusi.

Matematična podlaga za vsak model je opisana v datotekah PDF, vključno z vsemi definicijami celic in enačbami, ki se nanašajo na spremenljivke. Enačbe sami običajno vzamemo neposredno iz tipične učbenike za vsako temo, včasih z dodatki iz drugih virov ali z dodatkom majhnih količin naključne variabilnosti, da se vedenje približa dejanskim merilnim sistemom.

Inštruktorji lahko te tabele spremenijo in jih vabijo na kakršenkoli način za svoje študente. Oglejte si nenaročene komentarje uporabnikov spodaj od dejanskih uporabnikov teh preglednic.

Različice OpenOffice Calc
Calc je format odprtih dokumentov Open Document, ki je del OpenOffice Suite, ki ga študentje in fakultete lahko brezplačno kupijo in uporabljajo brezplačno iz OpenOffice.org za Windows, Macintosh in Linux. Calc je v osnovi enak kot Excel. Če želite zagnati te preglednice v računalniku, najprej prenesite namestitveni program OpenOffice (prenesite s spletnega mesta openoffice.org), nato ga namestite (z dvojnim klikom na datoteko namestitvenega programa, ki ste jo pravkar prenesli), nato pa prenesite moje preglednice s tega spletnega mesta. Ko je nameščen OpenOffice, lahko zaženete moje preglednice samo tako, da dvokliknete na njih. Oblačila OpenOffice vključujejo tudi celovit besedilni procesor, predstavitveni program in druge komponente. Študenti ne potrebujejo nakupa drage zbirke Microsoft Office; najnovejša različica OpenOffice je vedno na voljo za brezplačen prenos. Opomba: če prenesete posamezne preglednice .ods datotek z nekaj različicami programa Interent Explorer, bodo tipi datotek spremenjeni iz “.ods” v “.zip”; boste morali urejati imena datotek in spremeniti razširitve nazaj v “.ods”, da bodo lahko pravilno delovale. Ta težava se ne pojavi v Firefoxu ali v Chromu.

Različne različice teh modelov bodo na voljo tudi na LibreOffice Calcu, na primer ki deluje na Raspberry Pi 3.

Microsoft Excelove različice
Če želite zagnati različice Excel (.xls ali .xlxs), morate imeti nameščeno nedavno različico programa Excel, po možnosti v letu 2013 ali pozneje. Interoperabilnost Excelovih “.xls” in OpenOffice Calc “.sls” datotek je bila izboljšana v Excelu 2013 in OpenOffice različici 4, ki omogoča branje in shranjevanje v drugačnih oblikah, vendar še vedno obstajajo nekatere težave v zvezi s pisavami, kontrolami obrazcev (zlasti radio gumbi, potrditvena polja in drsniki) in imenovane spremenljivke. Postopoma poskušam popraviti te težave in zagotoviti prilagojeno različico xls, ki je bila preskušena v programu Excel 2013. Če mi ne najdete, kaj želite tukaj, mi sporočite. Priporočam tudi Scott Sinexovo odlično zbirko interaktivnih preglednic Excel.

WingZ različice
Ti modeli so bili prvotno razviti v zgodnjih devetdesetih letih v WingZ (.WKZ) formatu, prvi objektno usmerjeni preglednici z vgrajenim skriptnim jezikom HyperScript., Vendar je ta program zastarel. To je še vedno koristna oblika, ker ima jezik HyperScript nekaj edinstvenih zmogljivosti, ki so koristne pri tej vrsti simulacije, in ker ima programski predvajalnik WingZ zelo skromen odtis pomnilnika in se izvaja zelo hitro tudi pri starejših, manjših ali počasnejših 32 -bitni računalniki (vendar ne na žalost v 64-bitnem sistemu Windows). Te modele postopoma ponovno vnašam v industrijsko standardni, nelastniški obliki Open Document (z OpenOffice Calc) in v Excelu, vendar dokler to delo ne bo končano, bodo nekatere od njih na voljo le v originalni WingZ obliki. Če želite odpreti datoteke WKZ, potrebujete aplikacijo »player«, ki je vključena v naslednje arhive datotek za oba računalnika in Mac:

Uporabniki računalnikov: Kliknite, če želite prenesti osnovni nabor modelov WingZ in aplikacijo predvajalnika kot datoteko ZIP (700 Kbytes)
Uporabniki računalnikov Mac: Shift-klik, da prenesete osnovni nabor modelov WingZ in aplikacijo igralca kot datoteko SIT (500 Kb)

Kako odpreti datoteke WKZ: Obe zgornji datoteki vsebujeta aplikacijo WingZ, ki je potrebna za odpiranje datotek WKZ. Poskrbite, da so VSE datoteke v tem prenosu shranjene v isti mapi. V isto mapo postavite ločeno prenesene modelske datoteke (.wkz datoteke). Če želite zagnati model, najprej zaženite Wingz.exe, nato odprite datoteke WKZ iz Wingz (File => Open). (Če želite WingZ zagnati, ko dvokliknite datoteko WKZ, morate v datoteko WKZ vnesti novo vrsto datoteke v Orodja => Možnosti mape => Vrste datotek). Opomba: Najprej je najboljše prenesti osnovni nabor modelov, da se prepričate, da imate vse potrebne dele, nato pa občasno ponovno preverite za nove modele, ki jih lahko prenesete posamično in nato premaknete v mapo s krilcem.exe.

Če imate predloge za druge modele, kot so ti, ki bi jih želeli videti, jih prosim pošljite na naslovu toh@umd.edu

Kaj imajo študentje o teh modelih?


Neželene pripombe uporabnikov v drugih institucijah

“Hvala za takšno fantastično vir in za očiten napor, ki je šel v njeno ustvarjanje …. ste resnični stevard naše discipline. ”

“… vašo natančno razloženo spletno mesto … mi je pomagalo izjemno … To je odličen vir”.

“Jaz sem bil navdušeni, da bi našli vašo spletno stran …!

“Kakšen božji dar je bil najti vaše goljufije na kalibracijskih krivinah.”

“… vaš papir in eksperiment [je] zelo koristen zame.”

“Oni so zelo enostaven za uporabo in mi je veliko pomagal. ”

“Je izjemno kos dela … vaši “interaktivni računalniški modeli za analitično kemijsko pouk”

“Ta stvar je resnično impresivno delo …. ”

“… preprost za uporabo in razumevanje … mi je prihranilo veliko ur dela …”

“… zanimivo brezplačna interaktivna programska oprema. ”

“Vaša spletna stran mi je zelo pomagala in veliko pojasnil meni.”

“Vesel sem, da sem našel vašo spletno stran, saj ima nekaj zelo dragoceno informacije, pomembne za projekte, na katerih trenutno delam. ”

“Vaši modeli in zapisi so odlični. To je izjemno prispevek za študente in člane fakultete iz držav v razvoju. ”

“… moja globoka hvaležnost za čudovito interaktivni modeli difrakcije rib; so v toliko besedah poučno in nepogrešljivo. ”

“Vse sem lahko dobil lepo deluje in vam lahko obljubim, da bodo pomoč z mojimi učenci. ”

“Danes sem imel prvi poskus simulacije in študenti so bili navdušeni …. ”

“[Simulirani] laboratorij je bil veliko bolj zanimiv kot predavanje, to je gotovo! … sem imel zelo dobre povratne informacije od študentov … ”

“… hvala toliko za vašo spletno stran !!!”

“… Našel sem [vaše delovne liste] odlična uporaba medtem ko delam na mojem trenutnem projektu. ”

Lepo delo … in veliko tega. Tvoje stvari so čudovito! ”

“Našel sem vašo spletno stran zelo informativnega.”

“Kar vam je všeč pri demonstraciji rešetke je, da jasno kaže, kako povečana disperzija povzroča, da imajo različne valovne dolžine potovanje različnih razdalj do senzorja ….”

“Naj vam čestitam na lepi spletni strani! Inženir tehnične podpore za Wingz … in Rdeče teče čez takšno sofisticirano uporabo naših izdelkov. ”


Reference
1. Scott Sinex, Chemical Excelets: interaktivni preglednici Excel za splošno kemijo. (http://academic.pgcc.edu/~ssinex/excelets/chem_excelets.htm)
2. Kemija PhET simulacije (http://phet.colorado.edu/sl/simulations/category/chemistry)
3. Brian Tissue, Simulacije preglednic za analitično in fizično kemijo (http://www.tissuegroup.chem.vt.edu/chem-ed/simulations/spreadsheets.html)
4. Gizmos. Komercialne spletne interaktivne simulacije, ki se knjižijo kot “največja svetovna knjižnica simulacij matematike in znanosti”: https://www.explorelearning.com/
5. Flick Coleman, “Interaktivne demonstracije preglednic za uvodno, anorgansko, analitično in fizično kemijo,” http://academics.wellesley.edu/Chemistry/wfc/wfcspreadsheets.html

 

Tu lahko najdete izvirno objavo v angleščini: http://terpconnect.umd.edu/~toh/models/