В ученическом исследовательском проекте по информатике "Анализ компьютерных программ с целью 3D - моделирования органических молекул" автор дает развернутое определение понятия "3D-моделирование", рассматривает историю появления и особенности развития компьютерных программ для моделирования органических молекул, объясняет причины их популяризации и актуальность создания в наше время.

Подробнее о проекте:

В процессе написания детской исследовательской работы по информатике "Анализ компьютерных программ с целью 3D - моделирования органических молекул" учеником 11 класса были изучены различные компьютерные программы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D и их возможности в построении виртуальных моделей химических молекул и атомов.

В готовом проекте по информатике "Анализ компьютерных программ с целью 3D - моделирования органических молекул" автор привел теоретические сведения о химическом строении органических молекул на примере молекул ацетона и щавелевой кислоты, познакомился с компьютерными программами-конструкторами химических молекул и атомов, апробировал компьютерные программы-конструкторы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D в построении химических молекул и атомов, провел сравнительный анализ исследуемых программ, выявил более практичную программу для моделирования химических молекул.

Оглавление

Введение
1. Анализ программ с целью 3d - моделирования органических молекул.
1.1 ArgusLab 4.0.1.
1.2. Microsoft Office Power Point 2010.
1.3. Cinema 4D (C4D).
Заключение
Список использованной литературы
Приложение 1. «Теоретические сведения об электронном строении карбонильной группы С=О и карбоксильной группы -СООН, физических свойствах и применении ацетона и щавелевой кислоты».
Приложение 2 «Анализ компьютерной программы – конструктора ArgusLab 4.0.1.».
Приложение 3 «Анализ компьютерной программы – конструктора Microsoft Office Power Point 2010».
Приложение 4 «Анализ компьютерной программы – конструктора Cinema 4D».
Приложение 5 «Методические рекомендации по созданию трехмерных химических молекул в компьютерной программе – конструкторе ArgusLab 4.0.1».
Приложение 6 «Видеоролики формирования моделей молекул в трех программах».

В нашей жизни происходит активное проникновение научно-технического прогресса во все сферы жизнедеятельности. Моделирование является одним из наиболее перспективных методов обучения. Метод моделирования открывает ряд дополнительных возможностей в ознакомлении с окружающим миром.

В данной работе изучим компьютерные программы для построения виртуальных моделей молекул и атомов, которые на практике позволяют понять взаимосвязь строения молекул и свойств химических веществ.

Актуальность данной работы заключается в том, что при изучении общеобразовательных и профессиональных, а также инженерных дисциплин для выполнения заданий необходимо иметь развитое пространственное мышление. Если данная компетенция отсутствует или имеет низкий уровень, обучающийся не может освоить и применять на практике знания по ряду тем, например: химическое строение веществ. Как следствие, возникают затруднения при изучении классов веществ неорганической и органической химии.

Теряется логическая взаимосвязь между строением веществ и свойствами. Построение и исследование моделей позволяет рассмотреть взаимное влияние атомов друг на друга в составе функциональных групп на уровне каждой молекулы. В данной работе изучены и апробированы компьютерные программы для построения виртуальных моделей молекул и атомов, которые позволяют понять строение химических веществ.

На примере молекул ацетона и щавелевой кислоты, т.к. ацетон и щавелевая кислота в профессии «Слесарь по КИПиА» применяется в качестве растворителя и обезжиривателя, а также щавелевую кислоту используют для чистки металлов от коррозии, оксидов, накипи, ржавчины.

Научная новизна: программы моделирования не входят в курс обучения общеобразовательных дисциплин, их освоение позволяет комплексно продемонстрировать на практике пространственное строение и взаимосвязь свойств важнейших органических веществ.

Учитывая реальную проблему: изучение и подбор рациональных и практичных компьютерных программ для 3D-моделирования химических молекул веществ, в работе доказывается гипотеза: программа Cinema 4D имеет лучший функционал (инструментарий) для моделирования молекул химических веществ по сравнению с программами ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010.

Поэтому целью исследовательской работы является: анализ различных компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D и их возможности в построении виртуальных моделей химических молекул и атомов.

Для достижения цели научно-исследовательской работы поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями о химическом строении органических молекул на примере молекул ацетона и щавелевой кислоты;
2. Познакомиться с компьютерными программами-конструкторами химических молекул и атомов;
3. Апробировать компьютерные программы-конструкторы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D в построении химических молекул и атомов;
4. Сравнить исследуемые программы;
5. Выявить более практичную программу для моделирования химических молекул.

Практическая значимость работы: итоги исследования компьютерных программ могут быть использованы и применены:

1. С целью качественного освоения теоретического курса «Химия» и практической части курса в процессе выполнения лабораторных работ. Например: по теме «Изготовление моделей молекул органических веществ»; При изучении профессиональных модулей по профессии «Слесарь по контрольно-измерительным приборам и автоматике»;
2. При прохождении производственной практики, т.к. контрольно-измерительные приборы и автоматика требуют качественной обработки деталей для полноценной работы, и такими веществами являются ацетон и щавелевая кислота, которые также используется и в других отраслях промышленности.

Объекты исследования: компьютерные программы – конструкторы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D.

Предмет исследования: определение наиболее удобной и практичной в использовании компьютерной программы для 3D-моделирования химических молекул веществ.

Методами исследования являются анализ программного материала, описание, структурно-функциональный метод, алгоритмизация, сравнение, обобщение накопленного материала.

Оборудование: персональный компьютер, ОС Windows.

Материальное моделирование широко используется в химии для изучения строения многих веществ и особенностей протекания химических реакций, для выявления оптимальных условий химико-технологических процессов и др. Возможности моделирования широки: оно применяется на всех стадиях эксперимента, при обработке данных опыта.

Моделирование химических явлений и процессов на компьютере необходимо, прежде всего, для изучения явлений и экспериментов, которые практически невозможно показать в лаборатории колледжа, но они могут быть показаны с помощью компьютера. Использование компьютерных моделей позволяет раскрыть существенные связи изучаемого объекта, глубже выявить его закономерности, что, в конечном счете, ведет к лучшему усвоению материала.

Обучающийся может исследовать явление, изменяя параметры, сравнивать полученные результаты, анализировать их, делать выводы. Моделирование способствует углублению знаний об объективном мире, делает доступными для понимания и наглядными многие сложные теоретические понятия, технологические схемы и установки, а также развивает способности, углубляет знания основ наук, способствует связи теории с практикой, формирует практические навыки.

Условно можно выделить четыре направления компьютерного моделирования в химии: 1. традиционное - термодинамические расчёты химических реакций, разделительных процессов в хроматографии и др.; 2. поиск связей структура - свойства; 3. квантовомеханические расчёты основных характеристик индивидуальных молекул и элементарных перемещений частиц, механизмов реакций и кинетических закономерностей; 4. создание комплексных систем.

С помощью компьютерных программ: ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point, Cinema 4D, построим молекулы на примере молекул ацетона и щавелевой кислоты, т.к. ацетон и щавелевая кислота в профессии «Слесарь по КИПиА» применяется в качестве растворителя и обезжиривателя., а также щавелевую кислоту используют для чистки металлов от коррозии, оксидов, накипи, ржавчины.

Рассмотрим особенности каждой из программ:

ArgusLab 4.0.1. является программой для создания графических представлений молекулярных моделей. Используя эту программу, можно собрать и показать молекулярные модели, возможно включать в модель атомы, группы молекул и т.п.

Каждый компонент может быть отредактирован для удовлетворения потребностей. Можно использовать водород, углерод, азот, кислород, хлор и атомы фтора. Программа даёт возможность присоединиться к атомам с помощью любого вида возможной связи. Таким образом, создаются простые или сложные молекулы. При необходимости ArgusLab позволяет проверить встроенную периодическую таблицу.

Можно увеличить масштаб для создания модели, или уменьшить для наблюдения меньшего количества атомов. При конструировании соблюдаются правила валентностей и углов между связями в молекуле, что гарантирует достоверность получаемых моделей химических соединений.

Результаты могут быть распечатаны или графически изображены. В них можно сохранить собственный формат ArgusLab 4.0.1. Они могут также быть экспортированы в BMP, JPG, TIFF.

Анализируя данные таблицы 1 (приложение 2), полученные при исследовании компьютерной программы – конструктора ArgusLab 4.0.1 по определению преимуществ и недостатков программы, можно сделать вывод: программа ArgusLab 4.0.1. предназначена для 3D – моделирования химических молекул, т.к. имеет широкий спектр функций для построения пространственных моделей молекул и атомов.

Обладая теоретическими знаниями об электронном строении молекул и используя 3D - конструктор молекул ArgusLab 4.0.1, нами были построены шаростержневые молекулы ацетона и щавелевой кислоты (рисунок №3 и №4 приложение 2).

Microsoft Office Power Point 2010 - программа подготовки презентаций и просмотра презентаций, являющаяся частью Microsoft Office и доступная в редакциях для операционных систем Microsoft Windows [13]. Программа Microsoft Office Power Point 2010 обладает большими возможностями при построении молекул и атомов химических веществ. Зная теоретическое строение атомов (количество электронов, протонов, количество орбиталей) можно построить модели атомов используя области задач «Анимация».

В Microsoft Power Point 2010 в области задач «Анимации», для построения моделей атомов используются эффекты входа и выхода, дополнительные возможности управления временными параметрами и новые пути перемещения.

Изучив программу Microsoft Power Point 2010, построили модели молекул ацетона и щавелевой кислоты (рисунок №5 и №6 приложение 3), и выяснили, что данная компьютерная программа рассчитана для построения двумерных конструкций, и созданные модели несут недостоверную характеристику об электронном строении химических молекул (таблица 2. «Преимущества и недостатки компьютерной программы – конструктора Microsoft Office Power Point 2010» приложение 3).

Cinema 4D (C4D) - это универсальная комплексная 4D - программа, которая позволяет создавать и редактировать трёхмерные объекты и эффекты. Программа позволяет высококачественно визуализировать и анимировать объекты по методу Гуро [12].

Построив модели молекул ацетона и щавелевой кислоты (рисунок №7 и №8 приложение 4), результаты исследования по изучению компьютерной программы - конструктора Cinema 4D (C4D) показывают, что преимуществ программы по сравнению Microsoft Power Point 2010 больше и программой возможно построить модели молекул химических веществ, но программа не предназначена именно для детального изучения строения и свойств химических молекул и атомов, а рассчитана для конструирования мультипликационных проектов, т.к. созданные модели несут недостоверную информацию об электронном строении (таблица 3 приложение 4).

Для развития химии также важную роль играет экспериментальное моделирование химических процессов. Моделирование глубоко проникает в теоретическое мышление. Важная функция моделирования – реальное представление процессов происходящих на уровне атомов и молекул.

В научно - исследовательской работе:

1. рассмотрены теоретические сведения о химическом строении на примере молекул ацетона и щавелевой кислоты и их применение в профессии «Слесарь по контрольно-измерительным приборам и автоматике»;
2. изучены компьютерные программы-конструкторы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D;
3. построены пространственные, динамические модели молекул ацетона и щавелевой кислоты;
4. проанализированы исследуемые компьютерные программы.

Анализ компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D проводился по химическим параметрам, указанным в таблице 4 «Общий анализ компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D».

Таблица 4. «Общий анализ компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4 D»

В результате проведенного исследования поставленная цель: анализ различных компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D и их возможности в построении виртуальных моделей химических молекул и атомов -реализована, и опровергнута нами выдвинутая гипотеза. Программа ArgusLab 4.0.1. имеет лучший функционал (инструментарий) для моделирования молекул химических веществ.

Таким образом, из анализированных компьютерных программ:
ArgusLab 4.0.1.,
Microsoft Office Power Point 2010,
Cinema 4D, наиболее удобным, практичным, с широким набором инструментов и функций, а также способным показать достоверную информацию о длине химических связей, углах между атомами, составе химического вещества при моделировании 3D – молекул и атомов химических веществ является программа ArgusLab 4.0.1. (рисунок №9 «Показатели анализа компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4D по химическим параметрам»).

Рисунок №9 «Показатели анализа компьютерных программ ArgusLab 4.0.1., Microsoft Office Power Point 2010, Cinema 4 D по химическим параметрам»

1. Акимов П.А. Информатика в строительстве (с основами математического и компьютерного моделирования). - М.: КноРус, 2019. - 420 с.
2. Андриевский Р.А. Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и проблемы: научно-популярное издание. – М.: Лаборатория знаний, 2017. - 253 с.
3. Артеменко А.И. Органическая химия. – М.: КноРус, 2018. - 528 с.
4. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: КноРус, 2016. - 749 с.
5. Иопа Н.И. Информатика (для технических направлений). - М.: КноРус, 2020. - 470 с.
6. Карпова Т.А., Восковская А.С., Мельничук М.В. Английский язык: Бизнес-информатика. – М.: КноРус, 2019. - 198 с.
7. Ляхович В.Ф., Молодцов В.А., Рыжикова Н.Б. Основы информатики. – М.: КноРус, 2020. - 347 с.
8. Молоков К.А. Основы информатики и программирование под Windows. – М.: Проспект, 2015. - 221 с.
9. Химия для профессий и специальностей естественно-научного профиля: учеб. для студ. учреждений сред. проф. образования / [О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, Е. Е. Остроумова, С. А. Сладков]; под ред. О. С. Габриеляна. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 400 с.
10. Чумаченко Ю.Т., Чумаченко Г.В. Материаловедение и слесарное дело. – М.: КноРус, 2020. - 293 с.

Приложение 1. «Теоретические сведения об электронном строении карбонильной группы С=О и карбоксильной группы -СООН, физических свойствах и применении ацетона и щавелевой кислоты»

Ацетон, также известный под названиями диметилкето́н и пропанон-2, – органическое вещество, имеющее формулу CH3—C(O)—CH3, из ряда кетонов в виде легковоспламеняемой прозрачной жидкости с характерным запахом и высокой летучестью.

Ацетон зачастую используется в производстве в качестве растворителя. Это вещество позволяет справляться с задачами обезжиривания поверхностей, растворения различных органических веществ [9].

Щаве́левая кислота, также этандиóвая кислота — органическое соединение, предельная простейшая двухосновная карбоновая кислота. Формула щавелевой кислоты - HOOC−COOH. Принадлежит к сильным органическим кислотам.

Как и любая кислота, щавелевая благодаря своим уникальным свойствам применяется в следующих отраслях промышленности:

• химической (при изготовлении пластмасс, красителей, чернил, пиротехники);
• металлургической (для чистки металлов от коррозии, оксидов, накипи, ржавчины).

Рисунок № 1. «Электронное строение карбонильной группы С=О»

Рисунок № 1. «Электронное строение карбоксильной группы»

Приложение 2. «Анализ компьютерной программы – конструктора ArgusLab 4.0.1.»

Таблица 1. «Преимущества и недостатки компьютерной программы – конструктора ArgusLab 4.0.1.»

ArgusLab 4.0.1.	Преимущества	Недостатки
	1.Имеется ПСХЭ Д. И. Менделеева; 2. Лаконичный и понятный интерфейс; 3. Измеряется расстояние между молекулами; 4. Удобство в использовании; 5. Абсолютно бесплатная программа; 6. Размер 13 Мб; 7. 3D - конструктор молекул; 8. Автоматическое добавление, удаление атомов водорода; 9. Новые атомы можно выбирать из периодической таблицы; 10. Атомная гибридизация и порядок химических связей задаётся автоматически или в ручную; 11. Кольцевые структуры, а так же ароматические кольца находятся автоматически; 12. Трёхмерная интерактивная конструкция стержневой, шаростержневой, масштабной моделей; 13. Указываются одинарные, двойные и тройные связи; 14. Конструкция моделей молекул циклических соединений; 15. Пространственное моделирование атомных орбиталей и электронных эффектов; 16. Наличие информации о длине связей и символах химических элементов в молекуле;	1. Программа на английском языке, и требует среднего уровня владения английским языком (уровень B1 - «Пороговый» или средний уровень английского языка Словарный запас: 2750—3250 слов); 2. Не удобное управление инструментами; 3. Сложности с масштабированием длины связи; 4. Отсутствует запись анимации при экспортировании в другие программы, например: Microsoft Office Power Point, т.е. 3D-просмотр объекта только в самой программе;

Рисунок №3. «Модель молекулы ацетона»

Рисунок № 4. Модель молекулы щавелевой кислоты

Приложение 3 «Анализ компьютерной программы – конструктора Microsoft Office Power Point 2010»

Таблица 2. «Преимущества и недостатки компьютерной программы – конструктора Microsoft Office Power Point 2010»

Microsoft Office Power Point 2010	Преимущества.	Недостатки.
	1.Лаконичный и понятный интерфейс; 2. Программа входит в системные программы Windows и её не нужно скачивать и устанавливать; 3. Удобство в использовании; 4.Размер программы 3 Гб; 5. Программа на русском языке; 6. Широкий спектр анимации, предназначенный для добавления эффектов переходов от слайда к слайду;	1. Нет ПСХЭ Д. И. Менделеева; 2. Не измеряется расстояние между атомами в молекуле; 3. Сохранение и редактирование может привести к потере нескольких образцов; 4. Отсутствие функции трехмерного интерактивного конструктора молекул; 5. Отсутствует функция автоматического или ручного задания атомной гибридизации и порядка химических связей; 6. Отсутствует функция автоматического добавления, удаления атомов водорода; 7. Отсутствует автоматический поиск кольцевых структур, включая ароматические кольца; 8. Программа не предназначена для 3D моделирования, только 2D; 9. Отсутствует визуализация стержневой, шаростержневой, масштабной моделей; 10. Отсутствие функции поддержки одинарных, двойных и тройных связей; 11. Отсутствие функции построения моделей молекул циклических соединений; 12. Отсутствует визуализация атомных орбиталей и электронных эффектов; 13. Отсутствует функция получения информации о длине связей и символах химических элементов в молекуле;

Рисунок №5. Модель молекулы ацетона

Рисунок №6. Модель молекулы щавелевой кислоты

Приложение 4 «Анализ компьютерной программы – конструктора Cinema 4D»

Таблица 3. «Преимущества и недостатки компьютерной программы – конструктора Cinema 4D»

Рисунок № 7. «Модель молекулы ацетона»

Рисунок №8. «Модель молекулы щавелевой кислоты»