Создание автоматизированной обучающей системы по проектированию базы данных материалов на примере процесса СКИ-3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

.1 Обзор и обоснование выбора системы управления обучением

.2 Выводы по аналитическому обзору

. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

.1. Цели

.2 Задачи

. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

.1 Структура автоматизированной обучающей системы

.2 Описание процессов проектирование базы

.3 Общие сведения о процессах полимеризации

.4 Получение каучуков методом стереоспецифической полимеризации

.5 Технологические свойства синтетического изопренового каучука

.6 Модификация изопреновых каучуков

.7 Процесс олигомеризации изопрена

.8 Влияние примесей на процесс полимеризации

.9 Технологическая схема и аппаратурное оформление процесса

.10 Архитектуры систем дистанционного доступа

.11 Организация теоретического материала

.3 Система контроля изучаемого материала

.12 Структура и характеристика программного обеспечения

.13 Результаты разработки учебных материалов и тестирования

.14 Выводы по основной части

. ВЫВОДЫ ПО ПРОЕКТУ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированные системы находят все большее применение в повседневной жизни, образование - не исключение. Высокие темпы современного технологического прогресса приводят к необходимости непрерывного обучения с применением автоматизированных обучающих систем как главного фактора поддержания профессионального уровня технологического персонала для обеспечения его соответствия производственно-технологическим вызовам современного высокотехнологичного, в том числе экологически небезопасного, сложного в управлении производства.

Стремительный рост объема и сложности изучаемого материала приводит к тому, что традиционная система обучения становится недостаточно эффективной и требует инновационных технологий, основанных на использовании информационно-вычислительной техники. Потребность в высокоэффективных технологиях подготовки и переподготовки кадров потребовало нового научно-методического осмысления организации самостоятельной работы студентов на основе использования компьютерных средств, каковым является автоматизированная обучающая система.

Система разрабатываемая в рамках данного курсового проекта объединяет в себе информацию и наработки по теме «Проектирование базы данных материалов (на примере процесса СКИ-3)».

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Объектом автоматизированной системы является процесс проектирования базы данных.

Тип автоматизированной системы - автоматизированная обучающая система (АОС).

1.1 Обзор и обоснование выбора системы управления обучением

В результате анализа возможностей большого количества программ оказалось, что большинство их предназначено только для составления тестов и проведения тестирования. Возможности таких систем колеблются от простейших, позволяющих только проводить тестирование и сохранять его результаты, а затем предоставлять их преподавателю, до достаточно сложных, снабженных различными средствами анализа результатов обучения (статистическая обработка результатов), оформления отчетов по различным критериям, установки параметров вопросов (например, коэффициент сложности), параметров тестов (например, ограничение времени тестирования), разграничение прав доступа и т.д. Некоторые системы могут использоваться при работе в сети. Различаются системы и по типам вопросов: чаще всего имеется возможность создавать только одновариантные вопросы (дается несколько вариантов ответов, из которых только один является правильным). Более сложные системы позволяют использовать несколько типов вопросов: многовариантные (выбор одного или нескольких правильных вариантов ответа), открытые (обучаемый должен ввести правильный ответ сам), на нахождение соответствия (дается два списка, требуется для каждого элемента первого списка установить подходящий к нему элемент второго списка). Примерами таких программ являются система КИОС, МастерТест, TestMaker, сетевая Система Электронного Тестирования, SunRavTestOfficePro, TestCommander, Ассистент, Экзаменатор, AnyTest, TeachingTemplates (система для веб-тестирования) и многие другие.

Выбранная для выполнения данного курсового проекта программа CourseLab имеет более широкие возможности. Программа позволяет кроме тестирования подключать теоретический материал, осуществлять связь тестовых вопросов с теоретическими темами. В CourseLab предоставлены возможности для создания справочников, энциклопедий, объединения методических материалов. Главное достоинство - удобство представления информации, быстрота поиска, возможность быстро создавать сложные информационные системы, легко объединять множество файлов в единую систему, производить контроль за изучением материала.

1.2 Выводы по аналитическому обзору

В данной части курсового проекта был проведен аналитический обзор предметной области. Была произведен обзор программных средств для создания дистанционного обучения и интерфейсов пользователей. Мною была выбрана в качестве системы управления обучением выбрана среда CourseLab.

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

2.1 Цели

Целью данного курсового проекта является создание автоматизированной обучающей системы по проектированию базы данных материалов (на примере процесса СКИ-3).

 

2.2 Задачи

Для достижения заданной цели необходимо реализовать следующие задачи:

1.      Исследование и изучение моделей процесса проектирования базы данных материалов (на примере процесса СКИ-3)

.        Разработка теоретического материала и тестовых заданий по изучению процесса проектирования базы данных;

3.      Разработка функциональной структуры автоматизированной обучающей системы;

.        Разработка структуры интерфейсов автоматизированной обучающей системы по проектированию базы данных материалов (на примере процесса СКИ-3);

.        Представление результатов разработки учебных материалов и тестирования.

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Структура автоматизированной обучающей системы

На рисунке 1 показана структура обучающей системы. Система состоит из модуля, который распределен по разделам. Система обеспечивает легкую навигацию по курсу, быстрый поиск необходимой информации.

Рисунок 1 - Структура автоматизированной обучающей системы

3.2 Описание процессов проектирование базы

В рамках курсового проекта разработан модуль для проектирование базы данных материалов (на примере процесса СКИ-3), планируется расширение обучающей системы и дополнение модулями

3.3    Общие сведения о процессах полимеризации

Полимеризация - химическая реакция соединения одинаковых молекул в сложные молекулы большой молекулярной массы:

nM→Mn ,

где M - молекула мономера;

Mn - макромолекула, состоящая из n мономерных звеньев;

n - степень полимеризации.

В результате реакции элементный химический состав полимера не изменяется, но изменяются свойства продукта.

Полимеры с молекулярной массой 104 - 106 называются высокополимерами, с низкой молекулярной массой - олигомерами. Представители природных полимеров - белки, целлюлоза, крахмал, натуральный каучук и другие. Полученных технически - пластмассы, синтетические каучуки, волокна, лаки пленки, клеи и другие. Большинство высокомолекулярных полимеров - твердые тела, обладающие свойствами пластичности и эластичности.

Принципиальное отличие полимеризационных процессов от всех других химических процессов состоит в том, что вместо продукта с фиксированной молекулярной массой получают некоторое молекулярно-массовое распределение полимера (ММР).

Степень детализации математических моделей процессов полимеризации существенно определяется объемом и качественным составом эмпирической информации, используемой для идентификации и оценки адекватности модели.

Реакции полимеризации относятся к классу сложных последовательных реакций типа A→B, B→C, C→D, … . Как во всяком цепном процессе, здесь различают элементарные стадии - инициирования, роста, обрыва и передачи цепи

Существуют различные способы классификации полимеризационных процессов. Так, в зависимости от природы агента, вызывающего образование начального активного центра, различают процессы радикальной полимеризации и ионной, которая, в свою очередь, делится на катионную и анионную. По физическому состоянию системы полимеризационные процессы делятся на газофазные и жидкофазные, гомофазные и гетерофазные; по технологическому признаку полимеризация может быть суспензионной, эмульсионной, в растворе, в массе и т.д.

Полимеризационные процессы очень сложны в управлении и моделировании из-за наличия множества неконтролируемых факторов. По этой причине для получения продукта надлежащего качества требуется тщательный контроль на всех стадиях производства.

3.4 Получение каучуков методом стереоспецифической полимеризации

Стереоспецифическая полимеризация диенов позволяет получать каучуки заданной структуры, определяющей их технические свойства. Синтез стереорегулярных каучуков осуществляется методом координационно-ионной полимеризации на комплексных катализаторах.

Наибольшее практическое значение метода заключается в возможности получения высокоэластичных диеновых каучуков, полноценно заменяющих натуральный в производстве шин и ряда других резиновых изделий.

Исследование механизма процесса стереоспецифической полимеризации на комплексных катализаторах показали, что главная роль в формировании микроструктуры каучуков принадлежит переходному металлу. Важным фактором, определяющим стереоспецифичность действия каталитических систем, является природа лигандов, находящихся у атомов переходного металла.

Ввиду высокой чувствительности катализаторов к примесям, одним из важнейших условий процесса стереоспецифической полимеризации является применение мономеров и растворителей высокой степени чистоты.

Наряду с вышеизложенной трудностью, существует еще ряд других, а именно: отсутствие кислорода в системе, высокая чувствительность каталитических систем даже к следам влаги и, кроме того, с отводом теплоты полимеризации. Все эти трудности не могут быть преодолены при использовании процесса полимеризации в эмульсии. Поэтому при разработке промышленных методов получения стереорегулярных каучуков был выбран способ полимеризации в растворе.

Процесс получения стереорегулярных каучуков включает следующие основные стадии:

тонкую очистку и сушку исходных мономеров и растворителя;

получение компонентов каталитического комплекса (КК);

приготовление КК;

непрерывную полимеризацию;

выделение каучука из раствора и сушку;

рекуперацию незаполимеризовавшихся мономера и растворителя.

В упрощенном виде процесс взаимодействия компонентов можно представить в виде:

П

М+Р+К+Н2

где М - мономер;                                                    О

Р - растворитель;

К - комплексный катализатор;

Н2 - водород;

П - полимер;

О - олигомеры (димеры, тримеры).

Рисунок 2 - Блок-схема процесса получения стереорегулярных каучуков

3.5 Технологические свойства синтетического изопренового каучука

Исследованием механизма и кинетики полимеризации являются продукты, образующиеся в результате взаимодействия первой молекулы изопрена с комплексным соединением TiCl3-(изо-С4H9)2AlCl.

Молекулярная масса образующегося полиизопрена практически не зависит от глубины полимеризации и возрастает с понижением температуры процесса и повышением концентрации изопрена в растворе.

Приготовление каталитического комплекса является одной из важнейших стадий процесса, в значительной мере определяющей скорость полимеризации и структуры получаемого каучука.

Образование каталитического комплекса протекает с высокой скоростью с выделением большого количества тепла, которое для системы TiCl4-Аl(изо-C4H9)3 составляет 251,4 кДж/моль и сопровождается рядом рабочих процессов. В случае эквимолекулярного соотношения компонентов катализатора или недостаточного массо- и теплообмена могут образовываться двухлористый титан и изобутилагломитхлорид, присутствие которых в каталитическом комплексе снижает его активность и стереоспецифичность процесса и приводит к повышенному образованию олигомеров изопрена.

Большое влияние оказывает чистота исходных компонентов каталитического комплекса. В ТiCl4 недопустимо присутствие даже незначительных количеств таких соединений; как HCl, ТiОСl2 , ССl2 , SiCl4 , VOCl3 . Для обеспечения воспроизводимости процесса должен применяться только свежепригнаный без доступа воздуха четыреххлористый титан (ТiCl4).

В качестве растворителей для полимеризации изопрена были испытаны многие алифатические и ароматические соединения, в том числе хлорпроизводные. Установлено, что растворитель не оказывает влияния на структуру каучука. Вместе с тем скорость полимеризации и глубина превращения зависят от скорости растворения образующегося полимера, что служит одним из критериев при выборе растворителя. В промышленности наибольшее применение получили алифатические предельные углеводороды нормального строения и изостроения.

Существенное значение для качества готового каучука имеет степень отмывки полимера от остатков катализатора, что связанно с повышенной чувствительностью полиизопрена к процессам деструкции. Наиболее активное влияние на деструкцию оказывает трехвалентный титан, образующийся в процессе полимеризации. Поэтому на стадии разрушения катализатора необходимо обеспечить полный перевод титана из трехвалентной формы в четырехвалентную. Содержание четырехвалентного титана в готовом каучуке не должно превышать 0,01-0,02 %.

Наиболее активными стабилизаторами для СКИ являются бифункциональные амины, а из неокрашивающих - стабилизаторы фенольного типа.

3.6 Модификация изопреновых каучуков

Разработаны условия синтеза изопренового каучука, практически не содержащего гель-фракции. Процесс осуществляется с применением каталитической системы ТiCl4-Al (изо-С4H9)3. Для предотвращения развития на поверхности гетерогенного катализатора катионных процессов структурирования, обуславливающих образование геля, мономер в зону взаимодействия с катализатором вводится постепенно. Полимеризация сопровождается диспергированием и уменьшением гетерогенности катализатора. Каучук, получаемый этим методом, по технологическим свойствам и основным показателям вулканизаторов превосходит серийный.

Другим способом модификации каучука является введение в него полярных групп, а также гидроксильных и карбоксильных групп.

Другим направлением работ и дальнейшему улучшению свойств синтетического каучука является модификация катализатора типа Циглера-Натта добавками дифенилоксида (ДФО) и диизопропилксантогендисульфида (дипроксид). Выбор химического состава модификаторов объясняется следующим:

ДФО - несколько повышает активность катализатора, а главное - позволяет провести с помощью спектромера ЭПР более точный контроль соотношения компонентов ТИБА/ TiCl4.

Дипроксид - повышает активность катализатора во втором реакторе и снижает скорость реакции олигомеризации. Считается, что центры олигомеризации содержат двухвалентный титан или соединения титана в низких степенях окисления. С увеличением количества восстановленного титана увеличивается и выход олигомеров. Дипроксид решает задачу нейтрализации соединений титана, в основном двухвалентного, подавляя тем самым центры олигомеризации.

3.7 Процесс олигомеризации изопрена

Параллельно с полимеризацией изопрена происходит конкурирующая с ней по расходу изопрена реакция олигомеризации. Образование олигомеров, линейных и циклических димеров и тримеров происходит под действием катализатора ТiCl4/Al (изо-С4H9)3, и крайне нежелательно, так как:

) При выделении полимера, олигомеры загрязняют атмосферу в производственных помещениях и окружающую среду;

) Линейные димеры 2,6 - и 2,7 - диметилоктариены - 1,3,6 сополимеризуются с изопреном в условиях проведения процесса. Включение димеров в полимерную цепь нарушает структуру полиизопрена и ухудшает свойства полимера;

) На образование олигомеров расходуется изопрен, таким образом происходит потеря сырья.

Димеры, образующиеся на стадии полимеризации изопрена производства СКИ, полностью удаляются в процессе выделения полимера из раствора методом водной дегазации и концентрируются в кубовом остатке от ректификации возвратного растворителя.

Факторы, влияющие на скорость образования олигомеров

) Влияние температуры.

Температура оказывает значительно более существенное влияние на скорость образования димеров Д2 и Д3-4, чем на скорость полимеризации изопрена. Энергия активации реакций образования димеров и полимера оказались 79, 71 и 42 кДж/моль соответственно. Такие высокие энергии активации свидетельствуют об очень резко возрастающем влиянии температуры между первым и последним реакторами, обусловленный тепловым эффектом реакции полимеризации, составляющим, как правило, 10-30 ºС. Когда перепад температур составляет 10 ºС, в последнем реакторе образуется в 10 раз больше димеров, чем в первом. Если период температур составляет 25-30 ºС, количество димеров в последнем реакторе возрастает в 30-40 раз.

) Влияние нагрузки.

Существенным фактором является нагрузка или продолжительность пребывания реакционной смеси при повышенной температуре (50-60 ºС). Уменьшение нагрузки на батарее и, как следствие, увеличения времени пребывания в полимеризаторах существенно увеличивает концентрацию олигомеров. Особенно резкое увеличение концентрации наблюдается при увеличении нагрузки, начиная с 6 т/ч.

) Увеличение дозировки катализатора.

Увеличение дозировки катализатора ускоряет процесс олигомеризации: чем больше дозировка, тем больше потери массы.

) Увеличение соотношения компонентов катализатора.

Увеличение соотношения компонентов катализатора ТИБА/ТiCl4 относительно эквимолекулярного увеличивает выход димеров, так как в этом случае изменяется химический состав катализатора, а именно увеличивается концентрация титана, на активных центрах которого происходит образование олигомеров. Максимальные выходы димеров Д1, Д2, Д3-4 наблюдаются при соотношении компонентов около 1,5, то есть в условиях, когда образование высокомолекулярного полимера практически прекращается. Образованию димеров способствует переход титана в более восстановленную форму.

) Применение химических модификаторов катализатора.

Применение модификаторов способствует существенному снижению выхода олигомеров.

Эффективным модификатором является диизопропилксантогендисульфид (дипроксид), имеющий следующую химическую формулу:

 

Дипроксид хорошо растворяется в толуоле даже при -75 ºС.

Увеличение содержания дипроксида приводит к значительному снижению выхода олигомеров и при соотношении дипроксид/ТiCl4 0,6 % масс к увеличению активности катализатора. При соотношении больше 0,6 % масс, активность катализатора постепенно падает. Оптимальное соотношение дипроксид/ТiCl4, при котором обеспечивается наивысшая активность катализатора при минимальном выходе олигомеров, зависит от условий проведения полимеризации.

Относительно дипроксида следует заметить также, что его влияние на кинетику процесса специфично. Влияя на режим процесса в первом реакторе в целом незначительно, он существенно увеличивает перепад температур между первым и вторым реактором, обеспечивая прирост “сухих” на 1-1,5 % масс.

Таким образом, так как скорость образования олигомеров зависит, в частности, от химического состава катализатора и из-за действия примесей, что показатель потери массы может также изменяться.

3.8 Влияние примесей на процесс полимеризации

Влияние примесей на процесс полимеризации изопрена очень велико: примеси отравляют катализатор, уменьшая тем самым его активность, увеличивая количество образовавшихся олигомеров; ухудшают пластоэластические характеристики готового каучука, увеличивают потери массы готового продукта.

Примеси делятся на две подгруппы:

) примеси, снижающие активность катализатора, не изменяя молекулярных характеристик полимера. Они реагируют с растворенной частью диизобутилалюминийхлорида (ДИБАХ), адсорбированной на катализаторе. Они реагируют, главным образом с активными центрами катализатора (АЦК) и не реагируют с активными центрами полимеризации. К ним относятся диэтилсульфид, ацетонитрил, СО2, диэтиламин, тиофен и другие. Возможно, вследствие малой растворимости в полимерно-мономерной частице, примесь не достигает активных центров полимеризации. В этом случае наличие примесей приведет к снижению общей скорости реакции, без изменения характера их стационарного периода. Следовательно, молекулярные характеристики полимера не изменяются, а только снижается активность катализатора.

) Примеси, приводящие к снижению средней молекулярной массы полимера. Они с большой скоростью реагируют с АЦК. К ним относятся ацетиленовые и алленовые углеводороды, диметилформамид, бутилмеркаптан, этиловый спирт, олефины, ацетон, метилэтилкетон. В этом случае наиболее характерным является увеличение продолжительности индукционного периода. До тех пор, пока скорость образования активных центров полимеризации соизмерима со скоростью их исчезновения, за счет взаимодействия с примесью, реакция полимеризации не начинается. После того, как первая оказывается больше второй, начинается полимеризация, но со скоростью меньшей, чем в отсутствии примесей. Естественно, при этом снижается средняя молекулярная масса полимера.

Рассмотренные два механизма в чистом виде не встречаются. Всякая примесь действует и по одному и по другому механизму, но, как правило, с преобладанием одного.

Ниже рассмотрим эти механизмы применительно к различным примесям:

Циклопетадиен (ЦПД):

При очень низкой концентрации ЦПД не происходит снижение молекулярного веса полимера и сильно увеличивается индукционный период реакции. ЦПД практически полностью успевает прореагировать с образующимися центрами полимеризации до начала роста полимерной цепи.

При более высокой концентрации ЦПД, часть его реагирует с уже «растущими» активными центрами, поэтому молекулярный вес полимера существенно снижается.

Ацитиленистые примеси:

Приводят к увеличению индукционного периода, но молекулярный вес изменяется сравнительно на небольшую величину. Объясняется это тем, что они не реагируют с заметной скоростью с ДИБАХ, но в сильной мере адсорбируются поверхностью катализатора. В начальный период полимеризации, пока не завершилась полная адсорбция примеси, последняя реагирует практически с каждым возникающем центром полимеризации и дезактивирует этот центр, поэтому появляется длительный индукционный период. После того, как основное количество примеси оказывается связанным, начинается полимеризация изопрена, но с меньшей скоростью, чем в отсутствии примеси, так как часть начальных АЦК оказалась дезактивированной. Так как в этот период практически не происходит дезактивации примесью, то реакция примеси с растущими полимерными молекулами, приводящая к обрыву роста цепей, еще менее вероятна, поэтому и не наблюдается существенного снижения молекулярного веса образующегося полимера.

Полярные примеси:

Полярные примеси по действию на кинетику процесса полимеризации можно разделить на две группы: первая характеризуется тем, что с увеличением концентрации примесей происходит замедление реакции полимеризации без увеличения индукционного периода; вторая группа отличается тем, что происходит не только замедление реакции полимеризации, но и увеличение индукционного периода.

К первой группе относятся:

вода;

сероуглерод;

сероокись углерода.

Отсутствие взаимодействия этих примесей с активными центрами полимеризации, естественно, сопровождается отсутствием влияния этих примесей на величину молекулярного веса полимера и их инфраструктуру.

Ко второй группе относятся:

спирты;

ацетон;

молекулярный кислород.

Здесь имеется индукционный период и значительное снижение молекулярной массы. Действие осложняется тем, что продукты реакции с ДИБАХ способны реагировать с активными центрами полимеризации.

В присутствии пиперилена происходит не только снижение скорости полимеризации, но и увеличение индукционного периода. Пиперилен не только адсорбируется на поверхности катализатора и тормозит реакцию полимеризации, но также может входить в состав активных центров полимеризации и участвовать в реакции сополимеризации с изопреном. Вероятно, активные центры полимеризации, содержащие звено пиперилена, менее активны, чем такие же центры для изопрена, поэтому реакция роста цепей существенно замедляется. При низкой концентрации пипериленаактивные центры полимеризации в начальный период своего роста содержат относительное малое количество звеньев пиперилена, поэтому увеличение продолжительности индукционного периода сравнительно невелико.

3.9 Технологическая схема и аппаратурное оформление процесса

Процесс получения каучука включает следующие основные стадии:

стадию подготовки шихты;

стадию подготовки каталитического комплекса (к/к);

непрерывную полимеризацию.

Полимеризацию проводят в стадии из двух последовательно соединенных полимеризаторов, охлаждаемых рассолом. Полимеризатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат емкостью 20 м3, снабженный рубашкой, через которую циркулирует хладагент (энтальпия полимеризации 1050 кДж/кг), и спиралевидной мешалкой м лопастями и скребками, обеспечивающими непрерывное перемешивание и очистку от полимера всей внутренней поверхности аппарата [7]. Предварительно охлажденный растворитель смешивается в заданном соотношении с мономером (изопреном) в специальном смесителе и дозировочным насосом подается в первый аппарат полимеризационной батареи. Технологическая схема процесса изображена на рисунке 2. Концентрация изопрена в растворе 16-18% по массе. В этот же аппарат непрерывно поступает заранее приготовленный каталитический комплекс. В качестве катализатора используется катализатор Циглера-Натта на основе титана. Образование каталитического комплекса протекает с высокой скоростью и выделением 251,4 кДж/моль тепла. Все компоненты каталитического комплекса, а именно, четыреххлористый титан (ТiCl4), триизобутилалюминий (ТИБА), а также модификаторы дифинилоксид (дипроксид) смешиваются в определенном соотношении в специальном смесителе. Далее смесь в теплообменном аппарате доводится до температуры 70 ºС и дозировочным насосом подается в трубопровод для шихты непосредственно перед введением ее в полимеризационную батарею. В этот же трубопровод поступает водород дозировкой 0,1 м3 /т. Продолжительность процесса полимеризации составляют 2-6 часов, конверсия изопрена может достигать 95 %. Принципиальная схема стадии полимеризации процесса получения изопренового каучука представлена на рисунке 3.

П1, П2 - полимеризаторы.

Рисунок 3 - Принципиальная технологическая схема стадии полимеризации

Заключительными стадиями технологического процесса являются дезактивация катализатора, а также выделение каучука из раствора методом водной дегазации и сушка каучука.

 

3.10 Архитектуры систем дистанционного доступа

Современные системы дистанционного исследования и моделирования строятся по принципу клиент-серверной архитектуры. Это обеспечивает им ряд преимуществ относительно файл-серверных приложений. Клиент-серверная система характеризуется наличием двух взаимодействующих самостоятельных процессов - клиента и сервера, которые, в общем случае, могут выполняться на разных компьютерах, обмениваясь данными по сети. По такой схеме могут быть построены системы обработки данных на основе СУБД, почтовые и другие системы. Мы будем говорить, конечно, о базах данных и системах на их основе. И здесь удобнее будет не просто рассматривать клиент-серверную архитектуру, а сравнить ее с другой - файл-серверной.

В файл-серверной системе данные хранятся на файловом сервере (например, Novell NetWare или Windows NT Server), а их обработка осуществляется на рабочих станциях, на которых, как правило, функционирует одна из, так называемых, "настольных СУБД" - Access, FoxPro, Paradox и т.п.

Приложение на рабочей станции "отвечает за все" - за формирование пользовательского интерфейса, логическую обработку данных и за непосредственное манипулирование данными. Файловый сервер предоставляет услуги только самого низкого уровня - открытие, закрытие и модификацию файлов, подчеркну - файлов, а не базы данных. База данных существует только в "мозгу" рабочей станции.

Таким образом, непосредственным манипулированием данными занимается несколько независимых и несогласованных между собой процессов. Кроме того, для осуществления любой обработки (поиск, модификация, суммирование и т.п.) все данные необходимо передать по сети с сервера на рабочую станцию (рисунок 4).

Рисунок 4 - Файл-серверная модель системы

автоматизированный обучающий система проектирование

В клиент-серверной системе функционируют (как минимум) два приложения - клиент и сервер, делящие между собой те функции, которые в файл-серверной архитектуре целиком выполняет приложение на рабочей станции. Хранением и непосредственным манипулированием данными занимается сервер баз данных, в качестве которого может выступать Microsoft SQL Server, Oracle, Sybase и т.п.

Формированием пользовательского интерфейса занимается клиент, для построения которого можно использовать целый ряд специальных инструментов, а также большинство настольных СУБД. Логика обработки данных может выполняться как на клиенте, так и на сервере. Клиент посылает на сервер запросы, сформулированные, как правило, на языке SQL. Сервер обрабатывает эти запросы и передает клиенту результат (разумеется, клиентов может быть много).

Таким образом, непосредственным манипулированием данными занимается один процесс. При этом обработка данных происходит там же, где данные хранятся - на сервере, что исключает необходимость передачи больших объемов данных по сети (рисунок 5)

Рисунок 5 - Клиент-серверная модель системы

Какие же качества привносит клиент-сервер в информационную систему:

Надежность. Сервер баз данных осуществляет модификацию данных на основе механизма транзакций, который придает любой совокупности операций, объявленных как транзакция, следующие свойства:

·        атомарность - при любых обстоятельствах будут либо выполнены все операции транзакции, либо не выполнена ни одна; целостность данных при завершении транзакции;

·        независимость - транзакции, инициированные разными пользователями, не вмешиваются в дела друг друга;

·        устойчивость к сбоям - после завершения транзакции, ее результаты уже не пропадут.

Механизм транзакций, поддерживаемый сервером баз данных, намного более эффективен, чем аналогичный механизм в настольных СУБД, т.к. сервер централизованно контролирует работу транзакций. Кроме того, в файл-серверной системе сбой на любой из рабочих станций может привести к потере данных и их недоступности для других рабочих станций, в то время как в клиент-серверной системе сбой на клиенте, практически, никогда не сказывается на целостности данных и их доступности для других клиентов.

Масштабируемость - это способность системы адаптироваться к росту количества пользователей и объема базы данных при адекватном повышении производительности аппаратной платформы, без замены программного обеспечения.

Общеизвестно, что возможности настольных СУБД серьезно ограничены - это пять-семь пользователей и 30-50 Мб, соответственно. Цифры представляют собой некие средние значения, в конкретных случаях они могут отклоняться как в ту, так и в другую сторону. Что наиболее существенно, эти барьеры нельзя преодолеть за счет наращивания возможностей аппаратуры.

Системы же на основе серверов баз данных могут поддерживать тысячи пользователей и сотни ГБ информации - дайте им только соответствующую аппаратную платформу.

Безопасность. Сервер баз данных предоставляет мощные средства защиты данных от несанкционированного доступа, невозможные в настольных СУБД. При этом права доступа администрируются очень гибко - до уровня полей таблиц. Кроме того, можно вообще запретить прямое обращение к таблицам, осуществляя взаимодействие пользователя с данными через промежуточные объекты - представления и хранимые процедуры. Так что администратор может быть уверен - никакой слишком умный пользователь не прочитает то, что ему читать не положено.

Гибкость. В приложении, работающем с данными, можно выделить три логических слоя:

·        пользовательского интерфейса;

·        правил логической обработки (бизнес-правил);

·        управления данными (не следует только путать логические слои с физическими уровнями, о которых речь пойдет ниже).

Как уже говорилось, в файл-серверной архитектуре все три слоя реализуются в одном монолитном приложении, функционирующем на рабочей станции. Поэтому изменения в любом из слоев приводят однозначно к модификации приложения и последующему обновлению его версий на рабочих станциях.

В двухуровневом клиент-серверном приложении, показанном на рисунке 1.4, как правило, все функции по формированию пользовательского интерфейса реализуются на клиенте, все функции по управлению данными - на сервере, а вот бизнес-правила можно реализовать как на сервере используя механизмы программирования сервера (хранимые процедуры, триггеры, представления и т.п.), так и на клиенте. В трехуровневом приложении появляется третий, промежуточный уровень, реализующий бизнес-правила, которые являются наиболее часто изменяемыми компонентами приложения (рисунок 6).

Рисунок 6 - Трехуровневая клиент-серверная модель

Наличие не одного, а нескольких уровней позволяет гибко и с минимальными затратами адаптировать приложение к изменяющимся требованиям. Если необходимо внести изменения в логику работы программы, то:

) В файл-серверной системе мы "просто" вносим изменения в приложение и обновляем его версии на всех рабочих станциях. Но это "просто" влечет за собой максимальные трудозатраты.

) В двухуровневой клиент-серверной системе, если алгоритмы обработки данных реализованы на сервере в виде правил, его выполняет сервер бизнес-правил, реализованный, например, в виде OLE-сервера, и мы обновим один из его объектов, ничего не меняя ни в клиентском приложении, ни на сервере баз данных.

Таким образом, клиент-серверная архитектура является более перспективной и менее затратной в эксплуатации, однако первоначальные затраты на её разработку больше, чем при использовании файл-серверной архитектуры системы. Кроме того, обработка данных на сервере и передача результатов на клиент является необходимым условием для построения дистанционных систем.

 

3.11 Организация теоретического материала

Для создания интерактивных учебных материалов была использована система CourseLab. Создан курс по изучению процесса проектирования базы данных.

Теоретический материал в данной обучающей системе организован по разделам и модулю в соответствии с темой. Объем материала разбит на отдельные разделы для лучшего восприятия информации и облегчения ее поиска. Каждый раздел представлен на слайде, на котором непосредственно представляется информация.

Рисунок 7 - Вид слайда обучающей системы

Такой способ организации модуля позволяет использовать обращение к слайдам по их названию. Большинство слайдов - это теоретический материал о процессе проектирования базы данных. Для хорошего восприятия курс выполнен в одном стиле, в тексте присутствует графический материал. Пример слайда изображен на рисунке 7.

Рисунок 8 - Переход по слайдам внутри модуля

 

3.12 Система контроля изучаемого материала

В отдельном модуле расположены вопросы по курсу и результаты тестирования, которое необходимо пройти после изучения теории

Рисунок 9 - Вопрос с выбором одного варианта ответа

Рисунок 10 - Уведомления

В процессе прохождения тестирования пользователь получает уведомления о правильности ответа, о количестве попыток, времени прохождения теста. После прохождения теста выводится результат с отражением процента правильных ответов и количества полученных баллов. Планируется дополнение системы новыми модулями и разделами, новые разделы будут так же включать теоретическую часть и тестирования для контроля изучения материала.

Рисунок 11 - Результаты тестирования

3.12 Структура и характеристика программного обеспечения

Требования к ЭВМ, системному и прикладному программному обеспечению, необходимым для нормального функционирования автоматизированной обучающей системы, приведены в таблице 1.

Рисунок 12 - Структура программного обеспечения

Таблица 1 - Минимальные системные требования

Показатель	Значение
Тип ЭВМ	IBM PC-совместимый компьютер на базе микропроцессора IntelCore 2 Duo
Тактовая частота процессора, МГц	3000
Объем оперативной памяти, Кб
Объем внешней памяти, Кб	4109
Состав и характеристика периферийных устройств ЭВМ	Монитор жидкокристаллический (17²), CD-ROM дисковод, клавиатура, мышь
Операционная система	MicrosoftWindows 7
Прикладное программное обеспечение	CourseLabверсия 2.4 и выше

3.13 Результаты разработки учебных материалов и тестирования

Обучаемый имеет возможность изучить теоретический материал и пройти тестирование. Стартовое окно модуля изображено на рисунке 13.

Рисунок 13 - Стартовое окно модуля

Предусмотрено обращение к слайдам по теме, что облегчает навигацию по модулю. Пример навигации по слайдам приведен на рисунке 14.

Рисунок 14 - Навигация по модулю

После изучения теории обучаемый приступает к тестированию. В тестировании представлены разные варианты вопросов. После каждого подтверждения ответа пользователю выводится сообщение о том, правильно ли он ответил. Процесс прохождения тестирования показан на рисунках 15.

Рисунок 15 -Прохождения теста

После прохождения теста пользователь видит количество набранных баллов, рисунок 16.

Рисунок 16 -Результат прохождения тестирования

 

3.14 Выводы по основной части

В данной главе была подробно разобрана предметная область и были разработаны основные части автоматизированной обучающей системы.

Была составлена структура обучающей системы, в соответствии с ней были разработаны пользовательские интерфейсы обучающей системы.

4. ВЫВОДЫ ПО ПРОЕКТУ

В ходе выполнения курсового проекта был изучен теоретический материал, на основе которого разработана автоматизированная обучающая система по проектированию базы данных.

Был проведен анализ сред разработки автоматизированных обучающих систем, в качестве редактора электронных курсов для выполнения курсового проекта был выбран редактор CourseLab.

Автоматизированная обучающая система позволяет создавать эргономичные пользовательские интерфейсы для изучения теоретического материала и контроля за изучением.

В разработанной системе:

·        Разработана рациональная структура организации информации по модулям и разделам;

·        Информация структурирована, представлена в удобном для пользователя виде и сопровождается иллюстрациями и схемами, что облегчает процесс изучения и делает материал более наглядным;

·        Наличие системы тестирования обеспечивает возможность самоконтроля изучения методического материала, делает обучение интерактивным;

·        Объединение информации в единый курс облегчает восприятие и анализ изучаемых материалов.

Система имеет практическое применение, будет дополняться и использоваться в дальнейшем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1   Норенков, И. П. Автоматизированные информационные системы : учеб. пособие для вузов / И. П. Норенков. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 342 с.

2          Чистякова, Т. Б. Интеллектуальные системы технологического проектирования, управления и обучения в многоассортиментном производстве гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц / Т. Б. Чистякова [и др.]. - СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2012. - 324 с.

3          Рудинский, И. Д. Технология проектирования автоматизированных систем обработки информации и управления : учебное пособие / И. Д. Рудинский. - М. : Горячая линия - Телеком, 2011. - 303 с.

4   Сутягин В. М., Ляпков А. А. Основы проектирования и оборудование производств полимеров. Учеб. для вузов. - Томск.: Изд-во ТПУ, 2005. - 392 с.;

5          Тенишев, Д. Ш. Лингвистическое и программное обеспечение автоматизированных систем : учеб. пособие для вузов / Д. Ш. Тенишев ; под ред. Т. Б. Чистяковой. - СПб. : ЦОП «Профессия», 2010. - 403 с.;

6          Чистякова, Т. Б. Программирование на языке высокого уровня на примере объектов химической технологии : учеб. пособие для вузов / Т. Б. Чистякова, И. В. Новожилова, Р. В. Антипин. - СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2012. - 232 с.

Система WebTutor [Электронный ресурс] WebSoft. - Режим доступа: http://websoft.ru/db/wb/root_id/webtutor/doc.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.