Периодични систем о школској информатици

(контролне картице)
(Посвећено Међународној години периодног система хемијских елемената)
(Задње допуне су направљене 8. априла 2019. Списак додатака је одмах испод реза)

(Мендељејев цвет, Извор)

Сећам се да смо прошли поред патке. То су биле три лекције одједном: географија, природне науке и руски. На часу науке, патка је проучавана као патка, каква крила има, које ноге има, како плива и тако даље. На часу географије, иста патка је проучавана као становник земаљске кугле: требало је на карти показати где живи, а где не. На руском нас је Серафима Петровна научила да пишемо „у-т-к-а“ и читамо нешто о паткама из Брема. Успут нас је обавестила да је на немачком патка овако, а на француском овако. Мислим да се то тада звало „комплексна метода“. Генерално, све је изашло "успут".

Вениамин Каверин, Два капетана

Венијамин Каверин је у наведеном цитату маестрално показао недостатке сложене наставне методе, међутим, у неким (можда прилично ретким) случајевима елементи ове методе су оправдани. Један такав случај је периодни систем Д.И. Мендељејева у школским часовима информатике. Задатак софтверске аутоматизације типичних радњи са периодним системом је јасан за школарце који су почели да уче хемију и подељен је на многе типичне хемијске проблеме. Истовремено, у оквиру информатике, овај задатак нам омогућава да у једноставној форми демонстрирамо метод контролних картица, који се може приписати графичком програмирању, схваћеном у ширем смислу те речи као програмирање коришћењем графичких елемената.

(Допуне 8. априла 2019.:
Додатак 1: Како функционише хемијски калкулатор
Додатак 2: примери задатака за филтере)

Почнимо са основним задатком. У најједноставнијем случају, периодни систем треба да се прикаже на екрану у облику прозора, где ће у свакој ћелији бити хемијска ознака елемента: Х - водоник, Хе - хелијум итд. Ако курсор миша показује на ћелију, тада се ознака елемента и његов број приказују у посебном пољу на нашем обрасцу. Ако корисник притисне ЛМБ, тада ће ознака и број овог изабраног елемента бити назначени у другом пољу обрасца.

Проблем се може решити било којим универзалним језиком. Узећемо једноставан стари Делпи-7, који је разумљив скоро свима. Али пре програмирања у ПЛ, хајде да нацртамо две слике, на пример, у Пхотосхоп-у. Прво, нацртајмо периодни систем у облику у којем желимо да га видимо у програму. Сачувајте резултат у графичкој датотеци табле01.бмп.

За други цртеж користимо први. Попунићемо ћелије табеле, очишћене од свих графика, јединственим бојама у РГБ моделу боја. Р и Г ће увек бити 0, а Б=1 за водоник, 2 за хелијум, итд. Овај цртеж ће бити наша контролна картица, коју ћемо сачувати у фајлу под називом табле2.бмп.

Прва фаза графичког програмирања у Пхотосхопу је завршена. Пређимо на графичко ГУИ програмирање у Делпи-7 ИДЕ. Да бисте то урадили, отворите нови пројекат, где на главном обрасцу постављамо дугме за дијалог (таблеДлг), у којој ће се одвијати рад са табелом. Затим радимо са формом таблеДлг.

Поставите компоненту класе на образац ТИмаге. Добијамо ИмагеКСНУМКС. Имајте на уму да се генерално, за велике пројекте, аутоматски генеришу имена обрасца ИмагеНГде N може достићи неколико десетина или више - ово није најбољи стил програмирања и треба дати смисленија имена. Али у нашем малом пројекту, где N неће премашити 2, можете га оставити како је генерисано.

До имовине Слика1.Слика отпремите датотеку табле01.бмп. Ми стварамо ИмагеКСНУМКС и учитајте нашу контролну картицу тамо табле2.бмп. У овом случају, датотеку чинимо малом и невидљивом за корисника, као што је приказано у доњем левом углу обрасца. Додамо додатне контролне елементе, чија је сврха очигледна. Друга фаза графичког ГУИ програмирања у ИДЕ Делпи-7 је завршена.

Пређимо на трећу фазу - писање кода у Делпи-7 ИДЕ. Модул се састоји од само пет обрађивача догађаја: креирање обрасца (ФормЦреате), кретање курсора ИмагеКСНУМКС (Имаге1МоусеМове), кликом на ЛМБ на ћелију (Имаге1Цлицк) и изађите из дијалога помоћу дугмади ОК (ОКБтнЦлицк) или Откажи (ЦанцелБтнЦлицк). Заглавља ових руковалаца се генеришу на стандардни начин помоћу ИДЕ-а.

Изворни код модула:

unit tableUnit;
// Периодическая таблица химических элементов Д.И.Менделеева
//
// third112
// https://habr.com/ru/users/third112/
//
// Оглавление
// 1) создание формы
// 2) работа с таблицей: указание и выбор
// 3) выход из диалога

interface

uses Windows, SysUtils, Classes, Graphics, Forms, Controls, StdCtrls, 
  Buttons, ExtCtrls;

const
 size = 104; // число элементов
 
type
 TtableDlg = class(TForm)
    OKBtn: TButton;
    CancelBtn: TButton;
    Bevel1: TBevel;
    Image1: TImage;  //таблица химических элементов
    Label1: TLabel;
    Image2: TImage;  //управляющая карта
    Label2: TLabel;
    Edit1: TEdit;
    procedure FormCreate(Sender: TObject); // создание формы
    procedure Image1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
      Y: Integer);                        // указание клетки
    procedure Image1Click(Sender: TObject); // выбор клетки
    procedure OKBtnClick(Sender: TObject);  // OK
    procedure CancelBtnClick(Sender: TObject); // Cancel
  private
    { Private declarations }
    TableSymbols : array [1..size] of string [2]; // массив обозначений элементов
  public
    { Public declarations }
    selectedElement : string; // выбранный элемент
    currNo : integer;         // текущий номер элемента
  end;

var
  tableDlg: TtableDlg;

implementation

{$R *.dfm}

const
PeriodicTableStr1=
'HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLa';
PeriodicTableStr2='CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu';
PeriodicTableStr3='HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAc';
PeriodicTableStr4='ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrKu ';

// создание формы  ==================================================

procedure TtableDlg.FormCreate(Sender: TObject);
// создание формы
var
  s : string;
  i,j : integer;
begin
  currNo := 0;
// инициализация массива обозначений элементов:
  s := PeriodicTableStr1+ PeriodicTableStr2+PeriodicTableStr3+PeriodicTableStr4;
  j := 1;
  for i :=1 to size do
   begin
     TableSymbols [i] := s[j];
     inc (j);
     if s [j] in ['a'..'z'] then
      begin
        TableSymbols [i] := TableSymbols [i]+ s [j];
        inc (j);
      end; // if s [j] in
   end; // for i :=1
end; // FormCreate ____________________________________________________

// работа с таблицей: указание и выбор =========================================

procedure TtableDlg.Image1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState;
  X, Y: Integer);
// указание клетки
var
  sl : integer;
begin
  sl := GetBValue(Image2.Canvas.Pixels [x,y]);
  if sl in [1..size] then
   begin
    Label1.Caption := intToStr (sl)+ ' '+TableSymbols [sl];
    currNo := sl;
   end
  else
    Label1.Caption := 'Select element:';
end; // Image1MouseMove   ____________________________________________________

procedure TtableDlg.Image1Click(Sender: TObject);
begin
  if currNo <> 0 then
   begin
    selectedElement := TableSymbols [currNo];
    Label2.Caption := intToStr (currNo)+ ' '+selectedElement+ ' selected';
    Edit1.Text := selectedElement;
   end;
end; // Image1Click  ____________________________________________________

// выход из диалога  ==================================================

procedure TtableDlg.OKBtnClick(Sender: TObject);
begin
    selectedElement := Edit1.Text;
    hide;
end;  // OKBtnClick ____________________________________________________

procedure TtableDlg.CancelBtnClick(Sender: TObject);
begin
  hide;
end;  // CancelBtnClick ____________________________________________________

end.

У нашој верзији, узели смо табелу од 104 елемента (константно величина). Очигледно се ова величина може повећати. Ознаке елемената (хемијски симболи) се уписују у низ ТаблеСимболс. Међутим, из разлога компактности изворног кода, чини се да је препоручљиво да се секвенца ових нотација запише у облику стринг константи ПериодицТаблеСтр1..., ПериодицТаблеСтр4тако да када се форма креира, сам програм расипа ове ознаке међу елементе низа. Свака ознака елемента састоји се од једног или два латинична слова, при чему је прво велико, а друго (ако постоји) мала. Ово једноставно правило се примењује приликом учитавања низа. Дакле, низ нотација се може написати на сажет начин без размака. Разбијање низа на четири дела (константе ПериодицТаблеСтр1..., ПериодицТаблеСтр4) је због разматрања лакоће читања изворног кода, јер Линија која је предугачка можда неће у потпуности стати на екран.

Када се курсор миша помери преко ИмагеКСНУМКС руковалац Имаге1МоусеМове овај догађај одређује вредност компоненте плаве боје пиксела контролне картице ИмагеКСНУМКС за тренутне координате курсора. По конструкцији ИмагеКСНУМКС ова вредност је једнака броју елемента ако је курсор унутар ћелије; нула ако је на граници, и 255 у другим случајевима. Преостале радње које изводи програм су тривијалне и не захтевају објашњење.

Поред горе наведених техника стилског програмирања, вреди напоменути и стил коментара. Строго говорећи, код о којем се говори је толико мали и једноставан да коментари не изгледају посебно потребни. Међутим, они су додати и из методолошких разлога – кратки код нам омогућава да јасније донесемо неке опште закључке. У приказаном коду је декларисана једна класа (ТтаблеДлг). Методе ове класе се могу заменити и то ни на који начин неће утицати на функционисање програма, али може утицати на његову читљивост. На пример, замислите редослед:

OKBtnClick, Image1MouseMove, FormCreate, Image1Click, CancelBtnClick.

Можда неће бити много приметно, али ће постати мало теже за читање и разумевање. Ако у одељку нема пет, већ десетине пута више метода имплементација имају сасвим другачији поредак него у описима класа, онда ће се хаос само повећати. Стога, иако је то тешко стриктно доказати, а можда чак и немогуће, може се надати да ће увођење додатног реда побољшати читљивост кода. Овај додатни поредак је олакшан логичким груписањем неколико метода које обављају повезане задатке. Свака група треба да добије наслов, на пример:

// работа с таблицей: указание и выбор

Ове наслове треба копирати на почетак модула и форматирати као садржај. У неким случајевима прилично дугих модула, овакви садржаји пружају додатне опције за навигацију. Слично томе, у дугачком телу једне методе, процедуре или функције, вреди прво означити крај овог тела:

end; // FormCreate

и, друго, у разгранатим изразима са програмским заградама почетак - крај, означите наредбу на коју се односи завршна заграда:

      end; // if s [j] in
   end; // for i :=1
end; // FormCreate

Да бисте истакли заглавља група и крајеве тела метода, можете додати редове који су дужи од већине наредби и који се састоје, на пример, од знакова „=“ и „_“, респективно.
Опет, морамо да резервишемо: наш пример је превише једноставан. А када код методе не стане на један екран, може бити тешко разумети шест узастопних крајева да би се извршиле промене кода. У неким старим компајлерима, на пример, Пасцал 8000 за ОС ИБМ 360/370, сервисна колона попут ове је била одштампана са леве стране у листи

B5
…
E5

То је значило да завршна заграда на линији Е5 одговара почетној загради на линији Б5.

Наравно, стил програмирања је веома контроверзно питање, тако да идеје које су овде изражене не треба схватити као ништа друго до храну за размишљање. За два прилично искусна програмера, који су се током година рада развили и навикли на различите стилове, може бити веома тешко да се договоре. Друга је ствар за студента који учи да програмира који још није стигао да пронађе свој стил. Мислим да би у овом случају наставник требало барем да пренесе својим ученицима тако једноставну, али не и очигледну идеју да успех програма умногоме зависи од стила у којем је написан његов изворни код. Ученик можда неће следити препоручени стил, али нека барем размисли о потреби за „додатним“ акцијама за побољшање дизајна изворног кода.

Да се ​​вратимо на наш основни проблем на периодном систему: даљи развој може ићи у различитим правцима. Једно од упутстава је за референцу: када пређете курсором миша преко ћелије табеле, појављује се прозор са информацијама који садржи додатне информације о наведеном елементу. Даљи развој су филтери. На пример, у зависности од инсталације, прозор са информацијама ће садржати само: најважније физичке и хемијске информације, информације о историји открића, информације о распрострањености у природи, листу најважнијих једињења (која укључује овај елемент), физиолошка својства, назив на страном језику, итд. е. Сећајући се Каверинове „патке“ којом почиње овај чланак, можемо рећи да ћемо овим развојем програма добити комплетан комплекс обуке из природних наука: поред компјутера. науке, физике и хемије – биологије, економске географије, историје науке па чак и страних језика.

Али локална база података није ограничење. Програм се природно повезује на Интернет. Када изаберете елемент, линк се активира, а чланак на Википедији о овом елементу се отвара у прозору веб претраживача. Википедија, као што знате, није меродаван извор. Можете поставити везе до ауторитативних извора, на пример, хемијску енциклопедију, ТСБ, апстрактне часописе, упите за наручивање у претраживачима за овај елемент итд. То. Ученици ће моћи да раде једноставне, али смислене задатке из ДБМС и Интернет тема.

Поред упита за поједини елемент, можете креирати функционалност која ће, на пример, различитим бојама означавати ћелије у табели које испуњавају одређене критеријуме. На пример, метали и неметали. Или ћелије које локална хемијска фабрика баца у водена тела.

Такође можете имплементирати функције организатора бележнице. На пример, истакните у табели елементе који су укључени у испит. Затим истакните елементе које је студент проучавао/понављао у припреми за испит.

А ево, на пример, једног од типичних школских проблема из хемије:

Дато 10 г креде. Колико хлороводоничне киселине треба узети да се сва ова креда раствори?

Да бисте решили овај проблем, потребно је записати хем. реакцију и стављајући у њу коефицијенте, израчунати молекулске масе калцијум карбоната и хлороводоника, затим саставити и решити пропорцију. Калкулатор заснован на нашем основном програму може израчунати и решити. Истина, и даље ћете морати да узмете у обзир да се киселина мора узимати у разумној количини и у разумној концентрацији, али ово је хемија, а не информатика.
Додатак 1: Како функционише хемијски калкулаторХајде да анализирамо рад калкулатора на примеру горе наведеног проблема креде и „маше“. Почнимо са реакцијом:

ЦаЦО3 + 2ХЦл = ЦаЦл2 + Х2О

Из овога видимо да ће нам требати атомске тежине следећих елемената: калцијума (Ца), угљеника (Ц), кисеоника (О), водоника (Х) и хлора (Цл). У најједноставнијем случају, ове тежине можемо записати у једнодимензионални низ дефинисан као

AtomicMass : array [1..size] of real;

где индекс низа одговара броју елемента. Више о слободном простору форме таблеДлг стави два поља. У првом пољу је првобитно написано: „Први реагенс је дат“, у другом – „Други реагенс је да се пронађе к“. Означимо поља реагенс1, реагенс2 редом. Остали додаци програму биће јасни из следећег примера калкулатора.

Укуцамо на тастатури рачунара: 10 г Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс се даје 10 г.“ Сада уносимо формулу овог реагенса, а калкулатор ће израчунати и показати његову молекулску тежину док је унесете.

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом Ца. Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс Ца 40.078 дат 10 г.“

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом Ц. Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс ЦаЦ 52.089 дат 10 г.“ Оне. Калкулатор је сабрао атомске тежине калцијума и угљеника.

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом О. Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс ЦаЦО 68.088 дат 10 г.“ Калкулатор је збиру додао атомску тежину кисеоника.

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом О. Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс ЦаЦО2 84.087 дати 10 г.“ Калкулатор је још једном додао атомску тежину кисеоника збиру.

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом О. Натпис у пољу реагенс1 промене: „Први реагенс ЦаЦО3 100.086 се даје 10 г.“ Калкулатор је поново додао атомску тежину кисеоника збиру.

Притисните Ентер на тастатури рачунара. Увођење првог реагенса је завршено и прелази се на терен реагенс2. Имајте на уму да у овом примеру пружамо минималну верзију. По жељи можете лако организовати мултипликаторе атома истог типа, тако да, на пример, не морате да кликнете седам пута заредом на ћелију кисеоника приликом уноса формуле хрома (К2Цр2О7).

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом Х. Натпис у пољу реагенс2 мења: „Други реагенс Х 1.008 пронађи к.“

Кликните на ЛМБ на ћелију табеле са симболом Цл. Натпис у пољу реагенс2 промене: „Други реагенс ХЦл 36.458 пронађи к.“ Калкулатор је сабрао атомске тежине водоника и хлора. У горњој једначини реакције, хлороводонику претходи коефицијент 2. Зато кликните на ЛМБ на пољу реагенс2. Молекуларна тежина се удвостручује (утростручује када се притисне два пута, итд.). Натпис у пољу реагенс2 промене: „Други реагенс 2ХЦл 72.916 пронађи к.“

Притисните Ентер на тастатури рачунара. Унос другог реагенса је завршен, а калкулатор проналази к из пропорције

То је оно што смо требали пронаћи.

Напомена 1. Значење добијене пропорције: за растварање 100.086 Da креди је потребно 72.916 Да киселине, а за растварање 10 г креде потребно је х киселина.

Напомена 2. Колекције сличних проблема:

Хомченко И.Г., Збирка задатака и вежби из хемије 2009 (8-11. разреди).
Хомченко Г. П., Хомченко И. Г., Збирка задатака из хемије за кандидате на универзитетима, 2019.

Напомена 3. Да бисте поједноставили задатак, можете поједноставити унос формуле у почетној верзији и једноставно додати симбол елемента на крај линије формуле. Тада ће формула калцијум карбоната бити:
ЦаЦООО
Али мало је вероватно да ће се такав снимак допасти наставнику хемије. Није тешко направити исправан унос - да бисте то урадили морате додати низ:

formula : array [1..size] of integer;

где је индекс број хемијског елемента, а вредност на овом индексу је број атома (у почетку се сви елементи низа враћају на нулу). Треба узети у обзир редослед у коме су атоми записани у формули, како је усвојено у хемији. На пример, мало људи ће волети и О3ЦаЦ. Пребацимо одговорност на корисника. Прављење низа:

 formulaOrder : array [1..size] of integer; // можно взять покороче

где записујемо број хемијског елемента према индексу његовог појављивања у формули. Додавање атома цуррНо у формулу:

if formula [currNo]=0 then //этот атом встретился первый раз
 begin
 orderIndex := orderIndex+1;//в начале ввода формулы orderIndex=0
 formulaOrder [orderIndex] :=  currNo;
 end;
formula [currNo]:=formula [currNo]+1;

Писање формуле у ред:

s := ''; // пустая строка для формулы
for i:=1 to  orderIndex do // для всех хим.символов в формуле 
 begin
 s:=s+TableSymbols [ formulaOrder[i]];// добавляем хим.символ
 if formula [formulaOrder[i]]<>1 then //добавляем кол-во атомов
  s:=s+ intToStr(formula [formulaOrder[i]]);
 end;

Напомена 4. Има смисла обезбедити могућност алтернативног уноса формуле реагенса са тастатуре. У овом случају, мораћете да примените једноставан парсер.

Вреди напоменути да:

Данас постоји неколико стотина верзија табеле, а научници стално нуде нове опције. (Википедиа)

Ученици могу показати своју домишљатост у овом правцу имплементацијом једне од већ предложених опција или покушати да направе своју оригиналну. Можда се чини да је ово најмање користан смер за часове информатике. Међутим, у облику периодног система који је имплементиран у овом чланку, неки ученици можда не виде никакву посебну предност контролних картица у односу на алтернативно решење помоћу стандардних дугмади ТБуттон. Спирални облик стола (где су ћелије различитих облика) јасније ће показати предности решења које је овде предложено.

(Алтернативни систем елемената Теодора Бенфеја, Извор)

Такође додајемо да је један број тренутно постојећих компјутерских програма за периодни систем описан у недавно објављеном на Хабре Чланак.

Додатак 2: примери задатака за филтереПомоћу филтера можете решити, на пример, следеће задатке:

1) Изаберите у табели све елементе познате у средњем веку.

2) Идентификујте све елементе познате у време открића Периодног закона.

3) Идентификујте седам елемената које су алхемичари сматрали металима.

4) Изаберите све елементе који су у гасовитом стању у нормалним условима (н.с.).

5) Изаберите све елементе који су у течном стању на бр.

6) Изаберите све елементе који су у чврстом стању на бр.

7) Изаберите све елементе који могу бити изложени ваздуху дуже време без приметних промена у нормалним условима.

8) Изаберите све метале који се растварају у хлороводоничкој киселини.

9) Изаберите све метале који се растварају у сумпорној киселини на бр.

10) Изаберите све метале који се при загревању растварају у сумпорној киселини.

11) Изаберите све метале који се растварају у азотној киселини.

12) Изолујте све метале који бурно реагују са водом у условима околине.

13) Изаберите све метале.

14) Идентификујте елементе који су распрострањени у природи.

15) Идентификујте елементе који се налазе у природи у слободном стању.

16) Идентификујте елементе који имају најважнију улогу у људском и животињском телу.

17) Изаберите елементе који се широко користе у свакодневном животу (у слободном облику или у комбинацијама).

18) Идентификовати елементе који су најопаснији за рад и захтевају посебне мере и заштитну опрему.

19) Идентификујте елементе који у слободном облику или у облику једињења представљају највећу опасност по животну средину.

20) Изаберите племените метале.

21) Идентификујте елементе који су скупљи од племенитих метала.

Белешке

1) Има смисла обезбедити више филтера. На пример, ако укључите филтер да бисте решили проблем 1 (сви елементи познати у средњем веку) и 20 (племенити метали), тада ће ћелије са племенитим металима познатим у средњем веку бити истакнуте (на пример, бојом) ( на пример, паладијум неће бити истакнут, отворен 1803. године).

2) Има смисла осигурати да неколико филтера ради у таквом режиму да сваки филтер бира ћелије са својом бојом, али не уклања у потпуности избор другог филтера (део ћелије у једној боји, део у другој). Тада ће, у случају претходног примера, бити видљиви елементи пресека скупова откривених у средњем веку и племенитих метала, као и елементи који припадају само првом и само другом скупу. Оне. племенити метали непознати у средњем веку, и елементи познати у средњем веку, али не и племенити метали.

3) Има смисла након примене филтера обезбедити могућност другог рада са добијеним резултатима. На пример, након одабира елемената познатих у средњем веку, корисник кликне ЛМБ на изабрани елемент и одведе се на чланак на Википедији о овом елементу.

4) Има смисла дати кориснику могућност да поништи избор кликом на ЛМБ на изабрану ћелију табеле. На пример, да уклоните већ прегледане ставке.

5) Има смисла осигурати да се листа изабраних ћелија сачува у датотеци и да се таква датотека учита аутоматским одабиром ћелија. Ово ће кориснику дати прилику да се одмори од посла.

Користили смо статичку, унапред одређену контролну мапу, али постоји много важних задатака где се могу користити динамичке контролне мапе које се мењају како се програм покреће. Пример би био уређивач графова, у коме корисник користи миш да укаже на положаје врхова у прозору и нацрта ивице између њих. Да би избрисао врх или ивицу, корисник мора показати на њега. Али ако је прилично лако показати на врх означен кругом, онда ће бити теже показати на ивицу нацртану танком линијом. Овде ће помоћи контролна мапа, где врхови и ивице заузимају шире околине него на видљивој слици.

Интересантно споредно питање везано за овај метод комплексног тренинга је: може ли овај метод бити користан у обуци АИ?

Извор: ввв.хабр.цом