TVORBA MULTIMEDIÁLNÍCH VÝUKOVÝCH PROGRAMŮ
Jiří Kofránek, Michal Andrlík, Tomáš Kripner, Zdeněk Wünsch
Anotace
Vývoj efektivních výukových programů, kombinující multimédia se
simulačními hrami je náročnou a komplikovanou prací, vyžadující
týmovou spolupráci řady profesí – zkušených pedagogů vytvářejících
základní scénář, tvůrců simulačních modelů, lékařů, výtvarníků a
programátorů. Tuto interdisciplinární kolektivní tvorbu zefektivňuje
využívání vhodných vývojových nástrojů, které umožňují komponentovou
tvorbu a propojení simulačních programů, a interaktivních multimédií
podle daného scénáře do kompaktního celku. Pro kostru aplikace autoři
využívají Macromedia RoboHelp, resp. Macromedia Authorware, pro
tvorbu simulačních modelů využívají nástroje firmy Mathworks Inc.
(Matlab a Simulink). Pro tvorbu interaktivních animací využívají nástroje
firmy Macromedia (Flash). Pro tvorbu uživatelského rozhraní výukových
programů a simulátorů autoři využívají vývojový nástroj Control Web (z
firmy Moravské přístroje) a vývojové prostředí Visual Studio. NET.
Klíčová slova
MULTIMEDIÁLNÍ VÝUKOVÉ PROGRAMY, INTERDISCIPLINÁRNÍ
SPOLUPRÁCE, SOFTWAROVÉ VÝVOJOVÉ NÁSTROJE, SIMULACE.
1. Úvod
Navzdory tomu, že se využití počítačů ve výuce stalo tématem
řady konferencí, odborných i popularizačních článků, přesto, že
hardwarové možnosti i softwarové nástroje dnes umožňují vytvářet
náročná interaktivní multimedia, k výraznému rozšíření multimediálních
výukových programů ve výuce medicíny zatím nedošlo. Příčin je několik.
Za prvé, ukazuje se, že tvorba výukových programů je podstatně
náročnější na čas, lidské i materiální zdroje, než je obvykle plánováno
(jestliže například v rámci grantů Fondu rozvoje vysokých škol je na
vytvoření jednoho multimediálního výukového programu plánováno
maximálně 120 tisíc Kč, pak výsledkem nemůže být nic jiného, než po
technické o výtvarné stránce nedotažený produkt). Za druhé – tvorba
kvalitních výukových programů vyžaduje týmovou multidisciplinární
spolupráci zkušených pedagogů, výtvarníků i programátorů. Nároky
stoupají, pokud na pozadí výukového programu má běžet simulační
program, umožňující interaktivní simulační hry - ve vývojovém týmu pak
musí být i odborníci, kteří jsou schopni navrhnout, formalizovat a odladit
příslušné modely. Konečně, pro kreativní propojení různých profesí,
podílejících se na tvorbě výukové multimediální aplikace, musí být k
dispozici vhodně zvolené vývojové nástroje (jejichž cena není malá a
jejichž ovládnutí vyžaduje určité úsilí a čas). O některých těchto
nástrojích a našich zkušenostech s nimi jsme referovali na loňském
Medsoftu [7]. Nyní bychom se spíše soustředili na popis vývojového
cyklu tvorby mutimediální výukové aplikace.
2. Klíč k úspěchu – kvalitní scénář
Klíčem k úspěchu jakéhokoli výukového programu je dobrý scénář.
První, na kom závisí úspěch vytvářené aplikace je tedy zkušený
pedagog, který musí mít jasno v tom, co a jakými prostředky chce svým
studentům pomocí multimediální výukové aplikace vysvětlit. Základem
scénáře je obvykle nějaký výukový text – skripta, kapitola v učebnici
apod. Při tvorbě scénáře pro multimediální výukovou aplikaci však
musíme myslet i na to, jak se bude výukový program jevit na obrazovce,
jaká bude posloupnost jednotlivých obrazovek, jaké bude jejich výtvarné
ztvárnění, kde budou umístěny interaktivní elementy, kde se bude
zapojovat zvuk, jak budou vypadat jednotlivé animace, kde se případně
vloží simulační model a jak bude ovládán, kde se vloží test znalostí, jak
bude vypadat, jak se bude vyhodnocovat a jak se bude reagovat na jeho
výsledek apod.
Zde se nám osvědčilo využívat postupu, který je znám u
kresleného filmu – nakreslit (nejlépe ve spolupráci s výtvarníkem)
obrazový scénář, tzv. "Story Board" – hrubou posloupnost jednotlivých
obrazovek, a ke každé obrazovce pak napsat komentář (případně odkaz
na příslušnou část textu vytvářeném v klasickém textovém editoru).
Interaktivní multimediální program však nejsou do počítačové
podoby jednoduše přepsaná skripta. Není to ani lineární posloupnost
textů, zvuků a pohyblivých obrázků jako kreslený film. Výrazným rysem
výukového programu je jeho interaktivita – a s tím spojená možnost
větvení a vzájemného propojení jednotlivých částí. Přetvořit lineární
textový a obrazový scénář do scénáře větveného, hypertextovými
odkazy provázaného interaktivního programu ovšem není jednoduché.
Prvním problémem, který je nutno vyřešit je způsob způsob jak ve
scénáři zobrazit vlastní strukturu výukového programu, zahrnující
výklad, interakce s uživatelem, větvení programu apod. Nejjednodušší je
v textovém či obrazovém editoru pomocí klasických flowchartů či
struktogramů popsat příslušná větvení, rozhodovací bloky apod. s
příslušnými odkazy na stránky textu a příslušné obrázky uložené v
dalších souborech.
Osvědčilo se vytvářet při psaní scénáře využít schopností
Microsoft Wordu vytvářet příslušné hypertextové odkazy – tím již vlastní
scénář dostává jisté rysy budoucí interaktivity. Pro detailnější
hypertextové propojení textové části scénáře je vhodné využít i vývojový
nástroj původně určený na tvorbu nápověd ("helpů") – podle našich
zkušeností nejvhodnějším vývojovým prostředím, který je v současné
době na trhu, je program RoboHelp Office (nyní ve verzi X5), vyvinutý
firmou E-help, kterou nedávno koupila společnost Macromedia.
RoboHelp je velmi výkonný nástroj, v němž můžeme vytvořit
textovou část scénáře včetně příslušných hypertextových propojení a
větvení. Dobře spolupracuje s Microsoft Office, takže do prostředí
RoboHelpu je snadné inkorporovat texty napsané ve Wordu. V prostředí
RoboHelp je snadné vytvořit klasickou strukturu "elektronické knihy"
včetně rozbalovacího stromu kapitol a rejstříku. V poslední verzi
RoboHelpu již byly odstraněny problémy s diakritickými znaménky
českého jazyka, které v předchozích verzích při určité neopatrnosti byly
příčinou mnoha svízelných okamžiků.
Obr. 1 Vstupy a výstupy programu Robo Help
3. Kostra aplikace – RoboHelp a Authorware
RoboHelp můžeme využít nejen pro tvorbu scénáře, ale i jako
kostru pro vytváření výkladové části vlastní výukové aplikace –
vstupem je textový soubor s vloženými obrázky ve Wordu, či ve formátu
PDF, vstupem může však být i HTML nebo XML soubor, po případě i jiný
soubor formátu RoboHelp. RoboHelp sám je možno snadno propojit s
Microsoft Wordem pro tvorbu a editaci textů a zároveň i s jakýmkoliv
HTML editorem. RoboHelp dobře spolupracuje se všemi produkty firmy
Macromedia – můžeme do něj například snadno vkládat interaktivní
animace vytvořené v prostředí Macromedia Flash, nebo naopak celý
hypertextovými odkazy provázaný výstup z RoboHelpu uložit jako
komponentu do Flashe. RoboHelp může také vygenerovat klasický
HTML soubor či XML soubor, který můžeme dále využít (obr.1).
Vynikající vlastností poslední verze RoboHelpu je také jeho schopnost
spolupracovat s prostředím Microsoft .NET – v němž je např. možné
implementovat simulační program, který běží na pozadí výukové
aplikace.
Dalším vhodným vývojovým nástrojem pro vytváření kostry
aplikace je vývojové prostředí Authorware opět od firmy Macromedia
(nyní ve vyzrálé verzi 7). Výhodou tohoto nástroje je jednoduchý grafický
jazyk, kterým pomocí myši snadno zobrazíme větvení a vazby uvnitř
jednotlivých hierarchicky uspořádaných prvkůl výukového programu (viz
obr. 2). Do jednotlivých prvků je možno vkládat různé komponenty – od
obrázků, videa, zvuků, přes html soubory a interaktivní animace
vytvořené ve Flashi až po volání externích programů (simulačních
modelů).
Obr. 2. Grafické prvky programu Authorware umožňují vizuálně naprogramovat
větvenou strukturu a interaktivitu aplikace.
4. Svaly aplikace – interaktivní multimediální komponenty
Pro vytváření interaktivních multimediálních komponent je velmi
vhodným vývojovým prostředím Maromedia Flash, které umožňuje
vytvářet animované interaktivní komponenty, jejichž chování se dá
programovat (a v našich aplikacích propojit se simulačním modelem.
Vytvořené "flashové" komponenty se dají přehrávat (pomocí
vestavěného interpretu, volně stažitelného z Internetu) přímo ve
webových stránkách, nebo se dají využít jako ActiveX komponenty v
jiných programech.
Flash prošel poměrně dlouhým vývojem. Původně to byl především
program pro pouhé vytváření animovaných obrázků. Postupně se
rozšiřovala možnost vytvářené animace řídit pomocí skriptů, jejichž
syntaxe se postupně vyvíjela a obohacovala. Poslední verze (prodávaná
pod názvem Macromedia Flash MX 2004) má již pořadové číslo 7 a má
zabudován objektový řídící jazyk (ActionScript, nyní ve verzi 2.0), syntaxí
velmi podobný jazyku Java, který umožňuje poměrně pohodlné a
sofistikované řízení chování vizuálních interaktivních elementů.
5. Flash – objektový vizualizační nástroj pro výtvarníky a
programátory
Velký úspěch vývojového prostředí Macromedia Flash je mimo jiné
založen na tom, že tvůrcům se poměrně úspěšně podařilo definovat
rozhraní pro výtvarníky (vytvářející základní animační prvky) a
programátory, kteří těmto komponentám mohou pomocí výše zmíněného
objektového jazyka vdechnout interaktivnost.
Náš vývojový tým vytvořil pro vývoj interaktivní grafiky speciální
laboratoř na Výtvarné škole Václava Hollara a věnoval velké úsilí
tomu, aby profesionální výtvarníky v prostředí Macromedia Flash naučil
pracovat. Naše úsilí mělo úspěch. Výtvarníci ztratili ostych před
počítačem a záhy pochopili, že "digitálním štětec" představuje jen další
nástroj pro kreativní výtvarné vyjadřování, jehož ovládnutí navíc přináší
další velké možnosti jejich pracovního uplatnění
Základní komponentou Flashových aplikací je film (movie). Film je
možné dělit na jednotlivé scény, které je možno postupně či programově
(na přeskáčku) přehrávat. Scény jsou tvořené sekvencí jednotlivých
snímků (frames). Filmy (movies) je možno libovolně řetězit - z každého
filmu (movie) je možné programově zavolat zavedení dalšího filmu a pak
spustit jeho přehrávání. To má výhodu zejména v internetových
aplikacích, kdy po zavedení a spuštění první části animace se na pozadí
z příslušného serveru stahuje její další část.
Při vytváření počítačových animací se vychází z klasického
způsobu tvorby kresleného filmu, kde se pro každé políčko kreslí
jednotlivé součásti na průhledných průsvitkách vrstvených na sebe.
Některé průsvitky se nemusí pro další políčko překreslovat, nebo se jen
o málo posunou (např. pozadí), zatímco jiné (např. postavička) se na
každém políčku překreslují, buď celé, nebo jen zčásti, aby postupně
vznikl animovaný pohyb.
Ve Flashi (viz obr. 3) je každá scéna tvořena několika vrstvami,
které fungují obdobně jako průsvitky při ruční tvorbě kresleného filmu.
2 vrstvy filmových políček
Scéna
Nástroje pro kreslení
Okno pro programování
Okno knihovny
Obr. 3. Prostředí Macromedia Flash MX poskytuje výtvarníkům nástroje pro kreslení
vektorových obrázků. Do jednotlivých vrstev filmových políček je však (jako v příkladě na
obrázku) také možno vložit instanci filmového klipu (MovieClipu) z knihovny. Chování
jednotlivých vizuálních (i nevizuálních) komponent je možno programovat (v okně pro
programování).
Každé políčko filmu, resp. scény (frame) má tedy několik vrstev do
nichž se ukládají jednotlivé obrazové prvky. Tyto vizuální prvky se
mohou v každé vrstvě samostatně kreslit – Flash obsahuje poměrně
výkonný nástroj pro vytváření vektorových obrázků (vektorové obrázky
je samozřejmě možné i importovat z mnoha jiných externích kreslících
programů). Jinou možností je vybrat si z knihovny příslušný obrázek a
vytvořit jeho instanci. Instancí však nemusí být jenom statický obrázek.
Instancí může být i tzv. filmový klip (MovieClip), který je vlastně
instancovanou třídou již dříve vytvořeného filmu. Tak například při
vytváření obrázku letadla můžeme jako jeden jeho element do jedné z
vrstev vložit z knihovny instanci filmového klipu s točící se vrtulí.
Speciálním druhem filmových klipů jsou tlačítka (Buttons), u nichž je
možno definovat jak jejich vizuální vzhled (při přejetí kurzoru nad
tlačítkem a při jeho stisku), tak i chování obsloužením příslušné vyvolané
události. Vlastní MovieClip může mít i poměrně složitou hierarchickou
strukturu – film, který ho vytváří může obsahovat instance dalších
filmových klipů. Tak např. MovieClip auta může v sobě obsahovat
MovieClipy jeho točících se kol. Každá instance MovieClipu má své
vlastnosti (koordináty umístění na scéně, velikost, přebarvení,
průhlednost apod.), které je možné dynamicky měnit z programu. Krom
toho, třída MovieClip má celou řadu metod, které můžeme využívat
(např. metodu pro detekci kolize z jinou instancí MovieClipu na scéně
apod.).
Při tvorbě MovieClipu můžeme také naprogramovat specifické
metody, které pak můžeme volat u všech jeho instancí. Tak je možné
naprogramovat poměrně složité chování vizuálních komponent.
Konečně, poslední dvě verze Macromedia Flash umožňují poměrně
jednoduše vytvářet speciální MovieClipy jako skutečné komponenty, a
jejich vlastnosti pak nastavovat ve speciálním editoru komponent (viz
obr. 4) a za běhu volat jejich metody. To otevřelo možnost vytváření (a
následné distribuci či prodeji) nejrůznějších vizuálních (ale i
nevizuálních) komponent od řady tvůrců (viz www.macromedia,.com).
Vizuální komponenta
Editor vlastností vizuální komponenty
Obr. 4. Flash umožňuje naprogramovat vizuální (ale i nevizuální) komponenty a
využívat je obdobně jako v jiných objektových jazycích. Komponenty je možné
exportovat a nabízet dalším vývojářům. Postupně se tak rozvíjí trh s komponentami
pro Flash.
Ve vývojovém prostředí je možné jednotlivé filmy vytvořit (jak po
grafické, tak i po programátorské stránce), otestovat a přeložit do
mezijazyka (ve formě .swf souboru), který je možno interpretovat pomocí
volně stažitelného interpretu (tzv. Flash Playeru) a přehrávat buď jako
samostatně spustitelnou animaci nebo ji prohlížet přímo v internetovém
prohlížeči. Krom toho je možné vytvořený .swf soubor interpretovat
pomocí speciální ActiveX komponenty, kterou je možno zabudovat do
jiného programu – v našem případě do aplikace vytvářené ve Control
Webu nebo v Microsoft Visual Studiu (viz dále). Důležité je, že tato
komponenta si s aplikací může vyměňovat zprávy a tak můžeme jinou
aplikací pohodlně řídit chování interaktivní animace. Aplikace zároveň
může od interaktivní animace přijímat zprávy, referující o zásazích
uživatele.
6. Mozek výukové aplikace – simulační modely
Moderní výukové programy nejsou jen multimediální náhradou
klasických učebnic, jsou zcela novou výukovou pomůckou. Obsahují totiž
simulační komponenty, které umožňují pomocí simulačních her si
názorně "osahat" vykládaný problém ve virtuální realitě a přinášejí tak
zcela nové možnosti pro vysvětlování složitých problémů. Simulační
hrou je možné bez rizika zkoumat chování simulovaného objektu –
přistávat virtuálním letadlem, léčit virtuálního pacienta apod. Ale nejenom
to. Modelovaný objekt můžeme rozdělit na jednotlivé subsystémy a
testovat jejich chování odděleně i jako součást vyššího celku. Tak např.
při studiu složitých fyziologických regulací můžeme např. dočasně
odpojit vybrané regulační smyčky a umožnit studentům sledovat reakce
těchto subsystémů na změny vstupních veličin (které jsou v reálném
organismu ovšem samy regulovány). Tím dovolíme sledovat dynamiku
chování jednotlivých subsystémů při postupných změnách pouze
jediného vstupu, zatímco jiné vstupy jsou nastaveny na zvolenou
konstantní hodnotu (tzv. princip "ceteris paribus"). Postupně pak
můžeme jednotlivé dočasně rozpojené regulační vazby opět zapojovat a
studovat jejich vliv na chování organismu při nejrůznějších patologických
poruchách a reakcích na příslušnou terapii. Podle našich zkušeností
právě tento přístup vede k lepšímu pochopení složitých dynamických
jevů v patogenezi nejrůznějších onemocnění a porozumění
patofyziologických principů příslušných léčebných zásahů.
Implementace simulačních her do výukového programu není
triviální problém. Pro tvorbu simulačních modelů využíváme speciální
vývojový nástroj, určený pro tvorbu. ladění a verifikaci simulačních
modelů – Simulink a Matlab od firmy MathWorks. Tvorba simulačních
modelů v biomedicínských vědách je spíše výzkumná, než vývojová
práce, která má často multidisciplinární charakter – na jedné straně stojí
systémový analytik - expert na formalizaci a tvorbu simulačních modelů
(teoretický fyziolog, vytvářející formalizovaný popis fyziologického
systému a testující jeho chování pomocí simulačního modelu). Na druhé
straně stojí klasický experimentální fyziolog či klinik, pro kterého může
být popis fyziologického systému pomocí diferenciálních rovnic
španělskou vesnicí, ale který dokáže snadno rozpoznat, nakolik
odpovídá chování počítačového simulačního modelu biologické realitě.
Podle našich zkušeností, problém dorozumění mezi těmito dvěma
skupinami specialistů může zásadně usnadnit důsledné využívání tzv.
simulačních čipů [6] při výstavbě simulačního modelu1
. Verifikované
simulační modely (jejichž chování v dané míře přesnosti odpovídá
biologické realitě) je pak možno využít ve výukových programech. Ne
však přímo v prostředí Matlab/Simulink.
7. Kontejnery pro výukové aplikace
Pro integraci hypertextu, interaktivních animací a dalších
multimediálních komponent se simulačními modely klademe na jedné
straně velké požadavky na možnosti grafického uživatelského rozhraní,
které ale nesmí být příliš náročné na výpočetní zdroje, protože chceme
na druhé straně zachovat dostatečnou kapacitu pro numerické výpočty
pro běh simulačního modelu. Obdobné požadavky má průmysl – při
tvorbě velínů chceme na obrazovce počítače dostatečně flexibilně
zobrazovat nejrůznější měřící přístroje a na druhé straně chceme
zachovat dostatečnou numerickou kapacitu pro vlastní měření a řízení
průmyslové aplikace. Proto jsme se při hledání vývojového nástroje
poohlédli po nástrojích původně určených pro tvorbu průmyslových
aplikací. Vybrali jsme nakonec nástroj Control Web [4] z dílny Zlínské
firmy Moravské přístroje.
Z vývojového prostředí Simulinku vygenerujeme zdrojový program
v jazyce C++ ze kterého vytvoříme (pomocí námi vyvinutého nástroje)
ovladač pro virtuální měřící/řídící kartu pro prostředí Control Web (viz
obr. 5). Řadič virtuální karty, obsahující simulační model toto prostředí
"ošáli" – výstupy modelu jsou v prostředí Control Web interpretovány
1
Simulační čipy jsou zvláštním způsobem upravené grafické komponenty vývojového prostředí Simulink, které
svým chováním připomínají elektronické čipy: analogicky jako se v elektronických obvodech ve vodičích
připojených k jednotlivým pinům elektronických čipů rozvádí elektrický proud, tak se i v Simulinkových
schématech k jednotlivým vstupním a výstupním "pinům" simulačních čipů rozvádí informace. Obdobně, jako se
v elektrických obvodech dá průběžně měřit napětí a proud pomocí měřících přístrojů, tak i v obvodech tvořených
simulačními čipy v grafickém prostředí Simulinku se dají zobrazovat informace pomocí virtuálních displejů a
osciloskopů pomocí myši připojených k jednotlivým propojkám. Obdobně jako v elektronických obvodech
uživatele čipu zajímá chování čipu a nikoli jeho vnitřek, tak i v simulačních čipech při zkoumání chování je
možné testovat pouze chování čipu a nikoli jeho vnitřek, který graficky reprezentuje síť použitých vztahů
(graficky vyjádřené příslušné rovnice).
jako měřené signály z technologie a vstupy modelu jsou interpretovány
jako řídící signály směřující do technologického zařízení.
Virtuální
ovladač
(s modelem)
Interactivní
flashové
animace
Vývoj,
testování
a identifikace
simulačního
modelu
v prostředí
Simulink/Matlab
Psaní scénáře
výukové aplikace
Ideový návrh
interaktivních sekvencí
obrázků v aplikaci
(tzv. storyboard)
Vývoj
výukového
simulátoru
Vývoj
interaktivních
animací v
prostředí FLASH
Testování ve výuce
Přeložení
identifikovaného
modelu
do C++
Automatizovaná tvorba
ovladače pro virtuální
měřící/řídící kartu
komunikující s aplikací
vytvořenou v prostředí
Control Web
Automatizovaná
tvorba Microsoft
.NET Assembly
VÝUKOVÝ SIMULÁTOR
(platforma: Control Web)
VÝUKOVÝ SIMULÁTOR
(platforma: Microsoft .NET)
Interactivní
flashové
animace
.NET
assembly
(s modelem)
Obr 5. Vývojový cyklus tvorby výukových simulátorů. Na počátku je sestavení
scénáře výukového programu včetně návrhu sekvencí obrázků (tzv. storyboard). Pak
následuje tvorba simulačních modelů, které budeme využívat v simulátoru, resp.
výukovém programu využívajícím simulační hry. Pro tvorbu simulačních modelů
využíváme vývojové prostředí Matlab/Simulink od firmy Mathworks. Zároveň v naší
laboratoři interaktivní grafiky vytváříme pohyblivé animační obrázky v prostředí
Macromedia Flash. Odladěný simulační model je pak implementován ve formě řadiče
virtuální měřící/řídící karty do prostředí Control Web od firmy Moravské přístroje, v
němž je vytvořeno uživatelské rozhraní. Řadič virtuální karty, obsahující simulační
model, toto prostředí "ošálí" – výstupy modelu jsou v prostředí Control Web
interpretovány jako měřené signály z technologie a vstupy modelu jsou
interpretovány jako řídící signály směřující do technologického zařízení. Flashové
animace jsou do vytvářené výukové aplikace umístěny jako Active X komponenty a
propojeny se vstupy/výstupy simulačního modelu. Animace pak mohou být řízeny
simulačním modelem a do simulačního modelu mohou zároveň přicházet hodnoty
vstupů generované interakcí uživatele s flashovou grafikou. Další platformou, kterou
jsme v poslední době začali využívat při tvorbě výukových simulátorů je prostředí
Microsoft .NET. Do něj umisťujeme jak simulační model ve formě automaticky
generovaného .NET assembly ze Simulinku, tak i flashovou interaktivní animaci
(případně do něj můžeme umístit i celou aplikaci vytvořenou v nové verzi prostředí
Control Web). Důležité je otestování výukových simulátorů ve výuce, které přináší
nové požadavky pro revizi, rozšíření či vytvoření dalších výukových simulátorů.
Flashové animace jsou do vytvářené výukové aplikace umístěny
jako Active X komponenty a propojeny se vstupy/výstupy simulačního
modelu. Animace pak mohou být řízeny simulačním modelem a do
simulačního modelu mohou zároveň přicházet hodnoty vstupů
generované interakcí uživatele s flashovou grafikou. Do prostředí Control
Web jsme např. implementovali náš simulátor fyziologických funkcí
Golem [5,6]
Další platformou, kterou jsme v poslední době začali využívat jako
kontejner při tvorbě výukových programů je prostředí Microsoft .NET,
keré mimo jiné také poskytuje dostatečně silnou podporu pro tvorbu
webových aplikací. Do prostředí Microsoft .NET umisťujeme jak
simulační model ve formě automaticky generovaného .NET
assembly ze Simulinku, tak i flashovou interaktivní animaci
(případně do něj můžeme umístit i celou aplikaci vytvořenou v nové verzi
prostředí Control Web).
9. Propojení multimediálních prvků a simulačních modelů
Simulační model je tedy propojen s flashovu animací. Animace
pak mohou být řízeny na základě výstupů implementovaného
simulačního modelu - např. schematický obrázek cévy se může
roztahovat nebo komprimovat, plicní sklípek může hlouběji či mělčeji
"dýchat", ručička měřícího přístroje se může pohybovat a průběžně
zobrazovat hodnotu nějaké výstupní proměnné modelu atd.
Na druhé straně můžeme přes vizuální prvky vytvořené ve Flashi
(nejrůznější tlačítka, knoflíky, táhla apod.) do simulačního modelu
zadávat nejrůznější vstupy.
Příklad využití flashové animace ve výukovém programu
využívajícím simulační hru je zobrazen na obr. 6. Interaktivní animace,
vytvořená v prostředí Macromedia Flash byla umístěna do kontejneru
pro ActiveX komponentu v programu vytvořeném v prostředí Control
Web. Ručičky virtuálních přístrojů zobrazují příslušné fyziologické
hodnoty čtené z běžícího simulačního modelu na pozadí a zároveň se
příslušně mění chování flashová animace.
Model běžící na pozadí (realizovaný ve formě řadiče virtuální
měřící/řídící karty v případě aplikace v Control Webu, nebo jako .NET
assembly v případě aplikace implementované v Microsoft .NET)
komunikuje s vizuálními elementy na popředí. V případě flashových
animací je změna zobrazovaných hodnot či požadavek na změnu
vstupních dat modelu realizován pomocí událostí, které jsou příslušně
obslouženy a změní nastavení vizuálních elementů či vstupní hodnoty
modelu.
Obr. 6. Ukázka různých stavů vizuálního rozhraní v simulační hře ve výukovém programu
poruch respirace. Uživatelské rozhraní, vytvořené v prostředí Control Web s využitím
flashové animace, schematicky zobrazuje různé stupně ventilace a perfúze dvou částí plic.
Student si "hraje" s pohyblivým obrázkem a model na pozadí propočítává příslušné
fyziologické parametry, zobrazované jako hodnoty virtuálních měřících přístrojů (v Control
Webu). Zároveň se mění "hloubka dýchání" a "velikost prokrvení" plic na schematickém
obrázku tvořeném flashovou animací.
10. UCM architektura
V případě složitější architektury může být logika změn poměrně
složitá, proto je vhodnější mezi vrstvu vizuálních elementů a vrstvu
simulačního modelu vložit řídící vrstvu, kde se na jednom místě řeší
veškerá logika komunikace uživatelského rozhraní s modelem a kde
je ukládán i příslušný kontext (obr. 7). Toto uspořádání je nezbytné při
složitějších modelech a simulátorech, jejichž uživatelské zobrazení je
reprezentováno mnoha virtuálními přístroji na více propojených
obrazovkách. Výhody tohoto uspořádání zvláště vyniknou při
modifikacích jak modelu, tak i uživatelského rozhraní. V literatuře [2] se
hovoří o tzv. UCM architektuře výstavby simulátorůl (User interface –
Control layer – Model layer).
Vrstva uživatelského rozhraní
Řídící vrstva
Vrstva modelu
Obr. 7 Tzv. UCM architektura při tvorbě simulátorů. Mezi vrstvu modelu a vrstvu
uživatelského rozhraní je vhodné vložit řídící vrstvu kam jsou směrovány veškeré zprávy a
události vznikající ve virtuálních přístrojích uživatelského rozhraní a kam je zároveň
směrována veškerá komunikace s modelem. V této vrstvě se řeší veškerý kontext
zobrazovaných dat a příslušné požadavky na komunikaci s modelem. Veškerá logika
zobrazování a komunikace je pak soustředěna do jednoho místa což podstatně ušetří čas při
modifikacích uživatelského rozhraní nebo změnách modelu.
Velmi se nám osvědčilo využít v tomto jádře stavový automat
(která nám nejlépe zapamatuje příslušný kontext). Prostředí
Matlab/Simulink nabízí realizaci stavových automatů prostřednictvím
speciálního toolboxu Stateflow bezprostředně propojitelným se
simulačním modelem v Simulinku.
Stavový automat je však možno realizovat i na straně
uživatelského rozhraní – přímo ve Flashi. Tento automat pak
bezprostředně komunikuje s vizuálními objekty ve Flashi. Obdobným
způsobem konstruují simulátory Kayne a Castillo [2]. Od těchto autorů
jsme také převzali komponentu stavového automatu, naprogramovanou
přímo v ActionScriptu v prostředí Macromedia Flash MX.
11. Závěr
Zdá se, že pomalu končí doba, kdy vytváření výukových programů
bylo otázkou entuziasmu a píle skupin nadšenců. Tvorba moderních
výukových aplikací je náročný a komplikovaný projekt, vyžadující
týmovou spolupráci řady profesí – profesí – od zkušených učitelů,
jejichž scénář je základem kvalitní výukové aplikace, přes systémové
analytiky, kteří ve spolupráci s profesionály daného oboru jsou
odpovědni za vytvoření simulačních modelů pro výukové simulační hry,
výtvarníky, kteří vytvářejí vnější vizuální podobu, až po programátory,
kteří celou aplikaci "sešijí" do výsledné podoby. Aby tato interdisciplinární
kolektivní tvorba byla efektivní, je nutno pro každou etapu tvorby
využívat specifické vývojové nástroje, s dostatečnou technickou
podporou, které umožňují komponentovou tvorbu simulačních modelů,
vytváření interaktivních multimédií a jejich závěrečné propojení podle
daného scénáře do kompaktního celku [7,8].
10. Literatura
[1] Hall, B., Wann, S. (2003): Object-oriented programming with
ActionScript. New Riders, Boston, Indianopolis, London, Munich, New
York, san Francisco, 2003, ISBN 0-7357-1183-6.
[2] Kaye J., Castillo D. (2003): Flash MX for interactive simulation.
Thomson Delmar Learning Inc. New York, 2003, ISBN 1-4018-1291-
0.
[3] Moock C. (2002):: ActionScript for Flash MX. The Definitive Guide. O'
Reilly. Bejing,Cambridge,Farnham,Köln, Paris,Taipei, Tokyo, 2002,
ISBN 0-596-00396-X.
[4] Kofránek, J., (2000): Control Web 2000 – objektové vývojové
prostředí pro distribuované aplikace reálného času. In: Objekty' 2000
(editor: Vojtěch Merunka, Vladimír Sklenář). Česká zemědělská
univerzita v Praze, 2000. ISBN 80-213-0682-3, str. 151-163.
[5] Kofránek, J., L. D. Anh Vu, H. Snášelová, R. Kerekeš, T. Velan,
(2001): GOLEM – Multimedia simulator for medical education. In:
Studies in Health Technology and Informatics., vol. 84. MEDINFO
2001, Proceedings of the 10th
World Congress on Medical Informatics.
(editors: V.L. Patel, R. Rogers, R. Haux), IOS Press, Amsterdam,
Berlin, Oxford, Washington DC, 2001, pp. 1042-1046.
[6] Kofránek, J., M.Andrlík, T. Kripner, J. Mašek, T. Velan, (2002):
Simulation Chips for GOLEM – Multimedia Simulator of Physiological
Functions. In: Simulation in the Health and Medical Sciences 2002.
(editors: James G. Anderson, M. Katzper). Society for Computer
Simulation International, Simulation Councils, San Diego, 2002, str.
159-163.
[7] Kofránek J., Andrlík M. Kripner T., Mašek J., Stodůlka P. (2003): „Od
umění k průmyslu“ – propojení technologií při tvorbě lékařských
výukových programů. Medsoft 2003, s.43-56. ISBN 80-86742-00-8.
[8] Kofránek, J.,T. Kripner, M. Andrlík, J. Mašek (2003): Creative
connection between multimedia, simulation and software development
tools in the design and development of biomedical educational
simulators, In: Simulation Interoperability Workshop, Position papers,
Volume II, Orlando, FALL 2003, paper 03F-SIW-102, pp. 677 - 687,
ISBN 1-930638-32-9
Poděkování
Práce na vývoji lékařských simulátorů a tvorba výukových
programů se simulačními hrami je podporována Výzkumným záměrem
MSM-111100008 (physiome.cz) a Rozvojovým programem MŠMT č.
394.
Jiří Kofránek
Biokybernetické oddělení Ústavu
patologické fyziologie 1. LF UK
U nemocnice 5
128 53 Praha 2
tel: 22496 2793
fax:22496 0503
e-mail: kofranek@cesnet.cz