Laboratorio Virtual de Petrología (página 2)

• Diseñar un sistema informático para simular las prácticas.

• Implementar un sistema informático para simular las prácticas.

• Reflejar la información teórica de las prácticas en un entorno web.

Como resultado fundamental se obtuvo un laboratorio virtual (PetroLab), el cual cuenta con una base de datos con la información concerniente a los minerales y con una web que muestra la fundamentación teórica de las prácticas de laboratorio.

DESARROLLO

Caracterización de las prácticas de laboratorio en la asignatura de Petrología.

Un laboratorio virtual es una herramienta multimedia interactiva que mejora el proceso de aprendizaje de tecnologías complejas. Y que presenta característica tales como:

• Una interfaz de usuario intuitiva y fácil de utilizar.
• Utiliza instrumentación simulada interactiva que posee una funcionalidad similar a la de los instrumentos reales.
• Relaciona los conceptos prácticos con los teóricos mediante un conjunto de experimentos adecuadamente diseñados.
• Incluye experimentos destructivos que contribuyen a evitar daños en los componentes y equipos del laboratorio real.
• Es fácilmente ampliable.

Dados los buenos resultados obtenidos en la aplicación de este tipo de herramienta en diferentes ramas de la enseñanza a nivel internacional, es que se llevan estas técnicas a las universidades cubanas. En la Universidad "Hermanos Saíz Montes de Oca" de Pinar de Río, se cuenta con laboratorios virtuales de gran importancia para la preparación de los estudiantes en las distintas carreras. No todos han sido creados en la propia universidad, como son: LabVIEW/LabWindows creado por National Instruments Corporation, que permite en las asignaturas de Procesamiento Digital de Señales y de Fundamento de las Comunicaciones hacer un simulador para el montaje de circuitos eléctricos y Easy Java Simulation para simular el comportamiento de las ondas electromagnéticas para emplearlo en la asignatura de Teoría del Campo Electromagnético, en la carrera de Telecomunicaciones. Pero otros como: el Laboratorio virtual GRAVIM que hace una modelación de perfiles gravimétricos para la carrera de Geología, los Laboratorios Virtuales de Electromagnética, Leyes de Ohm y Newton para la asignatura de Física, cuentan con la autoría de estudiantes y profesores del mencionado centro. Éstos han suplido las necesidades de instrumentación real, pero quedan aún problemas por resolver en este sentido, uno de ellos es el que se presenta en la asignatura de Petrología de la carrera de Ingeniería Geóloga.

Uno de los temas de la asignatura de Petrología es la Petrografía, encargado de los aspectos descriptivos de las rocas, tales como la forma, estructuras, texturas, composición y clasificación, por lo que el objetivo de los estudiantes de tercer año de Geología es lograr hacer una caracterización de los minerales, lo cual comienza con una vista a través del microscopio de láminas delgadas con diferentes muestras de rocas y concluye con la identificación correcta de los minerales basándose en libros, tablas y clasificaciones.

Sucede que con algunas de las láminas de rocas usadas en el laboratorio de Geología se hace muy difícil la apreciación de las características que presentan los minerales contenidos en ellas y esto ocasiona tardanza en la apreciación del objetivo. Cada una de estas características determina una práctica de laboratorio diferente.

Relieve

Cuando se observan granos minerales y fragmentos de los mismos bajo el microcopio, son notables sus superficies toscas, rugosas, irregulares, algunas veces aparentemente perforadas. Este carácter se denomina relieve o chagrén (del francés chagrin: cuero o tafilete). El relieve del grano depende de la relación entre su índice de refracción y el del medio que lo rodea. Cuando ambos índices son iguales, no existe el relieve. El relieve, por tanto, depende de la diferencia entre los índices de refracción de los dos medios en contacto; se denomina positivo, cuando el índice de refracción del mineral es mayor que el del líquido de inmersión, y negativo, cuando ocurre lo contrario. Obviamente, cada mineral podrá presentar diferentes relieves positivos y negativos de acuerdo con el líquido utilizado. Se puede confeccionar la siguiente tabla:

Tabla 1. Escala de Relieve.

No obstante la variación en el relieve no permite discernir cuál índice de refracción, el del material o el del líquido de inmersión es menor o mayor. Para este propósito es necesario utilizar la línea de Becke.

La línea de Becke es una franja luminosa que se origina en el contacto vertical entre dos medios de diferente índice de refracción, tales como: un mineral y un líquido de inmersión y tiene la propiedad de desplazarse hacia uno de los medios el enfocar y desenfocar sucesivamente.

Para encontrar esta línea es necesario efectuar los siguientes pasos:

1. Utilizar un cubreobjetos adecuado.

2. Introducir el fragmento, o placa, del material en diferentes líquidos de inmersión de diferentes índices de refracción hasta obtener un relieve notorio.
3. Utilizando un objetivo de media o alta potencia, enfocar los bordes de la muestra y el líquido buscando la posición de mejor foco. A partir de esta posición, mientras se observa la muestra se desenfoca y enfoca ligeramente la preparación, con el ajuste fino del microscopio hasta observar las líneas delgadas en los bordes una clara y una negra. La línea clara es la de Becke y una vez localizada se puede obtener mejor definición de esa línea cerrando un poco el diafragma de abertura.

El estudio de la línea de Becke en los minerales constituye uno de los métodos más útiles para la determinación del índice de refracción. Cuando el mineral tenga el mismo índice que el de un líquido conocido, no se formará la línea de Becke, ya que los rayos luminosos pasarán libremente de un medio a otro sin desviarse.

Exfoliación

Las trazas de exfoliación son líneas paralelas que en algunos casos se confunden con fracturas; pero a diferencia de éstas presentan un patrón uniforme. Un mineral puede tener una o más de una dirección de exfoliación. Cuando presenta una, ésta generalmente coincide con la dirección más alargada del cristal, cuando presenta dos, una de ellas puede no definirse muy bien.

El número de direcciones de exfoliación que se observa en el microscopio depende del corte de los cristales. Es decir, que en granos diferentes de un mismo mineral puede aparecer distinto número de direcciones de exfoliación.

Birrefringencia

Es la máxima diferencia numérica entre los índices de refracción mayor y menor de un mineral. Constituye una característica propia de cada especie mineral.

Si se toman dos minerales diferentes con igual orientación de su indicatriz y de un mismo espesor, mostrarán diferentes colores de interferencia. Su determinación es posible gracias a que por lo general un grano cualquiera tiene borde en forma de cuña, que muestra una secuencia de colores a medida que se avanza hacia el centro.

Para su determinación se procede de la siguiente forma:

1. Determinar el color de interferencia del grano y el orden del mismo.
2. Se sigue la línea horizontal que representa el espesor de la lámina hasta que se cruce con el color de interferencia determinado.
3. Se sigue la línea diagonal que pasa a través del punto de intersección anterior hasta la línea horizontal superior de la tabla Michel-Levy y se lee el valor numérico. Ésta será la birrefringencia del mineral.

Para estas prácticas se usan microscopios de luz polarizada, por su importancia para su realización y la necesidad de que los estudiantes aprendan a usarlo correctamente, PetroLab incluye una guía de cómo usar dicho instrumento. A continuación se hace una breve caracterización del microscopio.

El microscopio de luz polarizada y su importancia para la práctica de laboratorio

El instrumento fundamental para la realización de las prácticas antes descritas es el microscopio de luz polarizada, también conocido como microscopio petrográfico, específicamente del modelo de fabricación alemana Jenalab y Jenapol.

El microscopio petrográfico utiliza luz polarizada (producida por una lámina polaroide llamada polarizador), a este tipo de luz se le denomina PPL (luz polarizada plana). Para determinadas propiedades se emplea una segunda lámina polaroide (llamada analizador), se representa como XPL (luz polarizada cruzada). El tipo de iluminación también varía dependiendo de las propiedades a analizar. Cuando el condensador no está incorporado los rayos recorren caminos paralelos y se habla de iluminación ortoscópica, por el contrario cuando el condensador se encuentra incorporado la iluminación es convergente y se le denomina conoscópica.

Este microscopio es la principal herramienta usada para determinar las propiedades que permiten identificar los distintos minerales que se encuentren en una muestra de roca.

El éxito de las prácticas dependerá en gran medida del buen uso que se le dé a este instrumento por lo que en el software se pueden encontrar algunas indicaciones y pasos para el correcto manejo del mismo.

Implementación de PetroLab

El software fue desarrollado con el lenguaje C#, los objetos que fueron utilizados para establecer la conexión y acceso de datos entre la aplicación y la base de datos fueron el OleDbConnection, los OleDbDataAdepter y Dataset.

Las consultas fueron ejecutadas directamente con el generador de consultas del OleDbDataAdepter, sin la necesidad de efectuarlas desde Access, logrando una mayor rapidez y productividad.

Los controles sensibles a datos que fueron empleados para manipular la información en las tablas desde las interfaces son:

• Combobox: entra datos de una lista a una tabla
• TextBox: entra datos de tipo textual
• Datagrid: muestra datos en una tabla

Estos controles son encontrados en la paleta de componentes Windows Forms.

Gracias a las ventajas que ofrece .NET, de crear y utilizar componentes COM+ y DLL se puede contar con axWebBrowser, usado para cargar la página web de PetroLab.

Otros controles también empleados que no son sensibles a datos son:

• Label: etiqueta
• Textbox: cuadro de texto
• Timer: marca el tiempo
• Button: botón de comando
• PictureBox: cargador de imagen
• GrupBox: agrupa componentes

Estándares de la interfaz de la aplicación.

El diseño de la interfaz de usuario es uno de los aspectos más importantes en el desarrollo de sistemas informáticos. La calidad de ésta puede ser uno de los motivos que conduzca a un sistema al éxito o al fracaso, es por eso que uno de los factores más relevantes de la usabilidad de un sistema es la consistencia de su interfaz de usuario.

Dada la homogeneidad de las aplicaciones que sobre Windows se desarrollan, el diseño de las pantallas se ajusta a estas especificaciones, con el objetivo de que los usuarios familiarizados con otras aplicaciones Windows no requieran de un tiempo adicional para comprender el funcionamiento del sistema.

Las pantallas se ajustan al área donde están enmarcadas. Cada ventana posee un título. Todas son consistentes en sus diseños, con los botones de las mismas funcionalidades iguales en tamaño y posición en la pantalla, además son etiquetadas con letras legibles.

La interfaz principal fue creada con una imagen que captura los colores sencillos y agradables y refleja el propósito del sistema mediante un logotipo bien definido. Las opciones del menú principal son bastante fáciles de usar y navegar y son colocadas en una forma lógica de acuerdo con sus funciones.

Tratamiento de errores

Para el tratamiento de errores se cuenta con un potente editor y depurador de errores, que brinda las opciones de agregar puntos de ruptura y evaluar variables. Es importante destacar que permite correr el programa paso a paso por instrucciones, por procedimientos y para salir.

La manipulación de errores en tiempo de ejecución se efectúa mediante el tratamiento de excepciones (Try-catch). Como aparece en el ejemplo de la Figura 1.

try

{

oleDbConnection_add_m.Close();

oleDbConnection_add_m.Open();

string consulta = "SELECT nombre FROM Muestra";

OleDbCommand _cmd = new OleDbCommand(consulta, oleDbConnection_add_m);

OleDbDataReader reader = _cmd.ExecuteReader();

while (reader.HasRows && reader.Read())

cbx_minl.Items.Add(reader.GetString(0).ToString());

reader.Close();

oleDbConnection_add_m.Close();

}

catch(Exception ex)

{

string msg = ex.Message;

}

Figura 1. Tratamiento de errores.

Aspectos novedosos de PetroLab

A continuación se exponen los aspectos novedosos de PetroLab mostrando los elementos más relevantes.

• PetroLab es capaz de simular el microscopio real y la manipulación de sus partes según las funciones necesarias en cada práctica.
• El estudiante puede ver las muestras semejante a la realidad y percibir características muy difíciles de determinar como la Línea Becke, tal como se ejemplifica en la Figura 2, donde puede verse una muestra desenfocada en (a) y con el enfoque correcto, percibiéndose la Línea de Becke, en (b):

1. (b)

Figura 2. Vista de una muestra en PetroLab. (a) desenfocada,

(b) enfocada con la Línea Becke.

• Contiene la teoría correspondiente no sólo de las prácticas, sino también del microscopio y su manipulación en un entorno visual agradable, ésta fue implementada en un entorno web, para lo cual se usó un nuevo componente, para lo que fue necesario adicionar las DLL: AxInterop.SHDocVw.dll y Interop.SHDocVw.dll. El código que se usó para realizar esta acción se muestra en el ejemplo de la Figura 3 siguiente:

string url = Application.StartupPath+"/pagina1/index.html";

// Return if nowhere to go

if (url == "") return;

try

{

Cursor.Current = Cursors.WaitCursor;

Object o = null;

// Get the URL from the control, and send the WebBrowser to fetch and display it

axWebBrowser2.Navigate(url, ref o, ref o, ref o, ref o);

}

finally

{

Cursor.Current = Cursors.Default;

}

Figura 3: Código para insertar la web en el componente

axWebBrowser.

• Brinda la posibilidad de consultar el mineral contenido en la muestra, sólo después de que el estudiante halla realizado la práctica correctamente.

Sistema de Seguridad

Una base de datos debe tener un sistema de seguridad para controlar qué actividades pueden realizarse y qué información puede verse y cuál modificarse. Un sistema de seguridad sólido asegura la protección y confidencialidad de los datos, sin tener en cuenta cómo los usuarios acceden a la base de datos. Debe cerciorarse que todos aquellos usuarios que necesitan acceder a los datos de forma legítima puedan hacerlo, pero también que nadie acceda a ellos de forma inapropiada.

Para garantizar la integridad de los datos en la base de datos de PetroLab se utilizó la opción de seguridad a nivel de usuario, pues constituye el modo más fuerte y flexible de protección de una aplicación, lo cual es permitido por el gestor utilizado.

Al utilizar la seguridad a nivel de usuario en Microsoft Access es necesario crear grupos de trabajo y las cuentas de grupos y de usuarios las cuales serán registradas junto con su contraseña en estos grupos de trabajo, determinando por cada grupo o cuenta de usuario los permisos a los objetos específicos, en este caso, tablas y consultas.

Primero, usando el administrador de grupo de trabajo de MS. Access se creó el grupo de trabajo PetroLab.mdw. Una vez creado, el gestor queda unido al mismo y todas las bases de datos creadas pertenecen a éste. Se crea la base de datos de PetroLab y a ella se le crean cuentas de usuarios del sistema, utilizando las herramientas de seguridad de cuentas de MS. Access. A los grupos creados se añaden los grupos que trae por defecto el gestor, los cuales no pueden ser eliminados. Estos son: los de Administradores al cual pertenecerá la cuenta administrador y el grupo de Usuarios al cual pertenecen todas las cuentas de usuario creadas. Se establece cada cuenta de usuario a qué grupo pertenecerá, para la realización de esto se hace uso de la interfaz ofrecida por el gestor.

Los permisos serán dados a los grupos y no a las cuentas ya que en la aplicación estos permisos se otorgan a las cuentas sobre la base del grupo a que ellas pertenecen. Para esto se utiliza la interfaz Permiso de Usuario y de Grupo. Hay que tener en cuenta quitarle todos los derechos (incluso el de abrir la base de datos) al grupo Usuarios del gestor ya que a él pertenece toda cuenta. Al grupo de Administrador deben quitársele todos los derechos salvo los de administrar la base de datos. Y de las cuentas de usuarios creadas de PetroLab definir cuál es la que va a pertenecer al grupo de administradores.

Para activar la seguridad es necesario poner una contraseña al usuario administrador que es por defecto el que siempre estará. Por último, haciendo nuevamente uso del administrador de grupo de trabajo de MS. Access se une nuevamente al grupo de trabajo System.mdw.

En PetroLab el Administrador es quien tendrá los derechos administrativos para crear nuevas cuentas de usuario, pudiendo establecer sólo a que grupo de usuario pertenecen y cambiarle la contraseña.

Diseño de la Seguridad de la Base de Datos de PetroLab

PetroLab es un Laboratorio Virtual que permitirá al estudiante prepararse previamente para las prácticas de laboratorio de la asignatura de Petrología, adquiriendo agilidad y con una amplia posibilitad de consultar material bibliográfico necesario para realizar su estudio independiente. Para que la información de los minerales se encuentre almacenada correctamente, es que se decide asegurar la integridad de los datos en la base de datos del sistema utilizando la seguridad a nivel de usuario, opción que brinda el gestor utilizado, pudiendo actualizar las cuentas de usuarios con los cuales se controla el acceso a la modificación de los datos.

En PetroLab se definieron los grupos de usuario siguientes:

• ADMINISTRADOR que tiene derecho de administrar la base de datos y a todos los objetos creados (Tablas y Consultas), además de ser propietario de estos objetos y poseer el derecho de crear nuevas cuentas de usuario.

• ESTUDIANTE al cual sólo se le establecieron los permisos de realizar las diferentes prácticas y consultar los resultados emitidos por PetroLab.

Las cuentas de usuario de PetroLab tienen acceso a los objetos (Tablas y Consultas) haciéndolas pertenecer a uno de los grupos antes descritos, éstas son:

• ESTUDIANTE la que pertenece al grupo de trabajo ESTUDIANTE, teniendo por ende sólo los derechos otorgados a su grupo.

• ADMINISTRADOR la que pertenece al grupo de trabajo ADMINISTRADOR, teniendo por ende los derechos otorgados a su grupo.

Lo anteriormente expuesto se resume en la Figura 4:

Figura 4. Diagrama de usuarios de PetroLab y los permisos otorgados.

De acuerdo a las cuentas de usuario creadas en el sistema y al grupo al que han sido asignadas, otorgándosele determinados privilegios, es que se realiza la navegación en la aplicación, aspecto que es tratado a continuación.

PetroLab constituye una valiosa herramienta para simular algunas de las prácticas que se realizan para determinar propiedades de los minerales que permiten identificarlos, las prácticas de Relieve, Exfoliación y Birrefringencia son las implementadas hasta el momento; para versiones futuras se podrán determinar otras características como: Extinción, Pleocroísmo, Signo de elongación y forma. Además tiene una opción Microscopio que es de gran ayuda para  aprender a manipular correctamente el Microscopio de Luz Polarizada. También el sistema cuenta con una guía teórica que permite ampliar los conocimientos generales acerca de la asignatura Petrología I, así como actualizar la información de los minerales con los que trabaja el software.

Navegación de PetroLab

Al ejecutar la aplicación la primera ventana que aparece es la mostrada en la Figura 5, la cual permite validar la entrada de los usuarios.

Figura 5. Interfaz Autentificación.

El usuario navega en PetroLab utilizando:

• Menú de Administrador
• Menú de Estudiante

Las opciones del menú de Administrador pueden verse en la Figura 6. La interfaz muestra la página web en la cual se encuentra una descripción de las principales partes del Microscopio de Luz Polarizada y se describe el correcto uso del mismo.

Figura 6. Barra de Menú de Administradores de PetroLab.

El usuario con los privilegios de administración utiliza la opción Gestionar Mineral (Figura 7) para adicionar, modificar o eliminar un mineral.

Figura 7. Barra de Menú de Administradores con la opción Gestionar Mineral.

En la interfaz mostrada en la Figura 8 podrá entrar la información correspondiente al mineral que desee agregar a la base de datos. Una vez introducidos los datos podrá presionar el botón Adicionar, por el contrario si los datos no se corresponden con lo deseado presionará Cancelar y se limpiarán automáticamente todas las entradas. Cuando haya terminado puede cerrar esta ventana haciendo clic en el botón que indica dicha acción.

Figura 8. Interfaz Adicionar Mineral.

Al seleccionar la opción Modificar del menú Gestionar Mineral aparece la interfaz que se muestra en la Figura 9, la cual permite modificar la información de los minerales. La primera opción de entrada de datos que mostrará la ventana que aparece a continuación es para elegir el nombre del mineral que desea cambiar, automáticamente después de elegido el mineral todos sus campos o propiedades aparecerán en las entradas que le siguen, permitiendo la edición de los datos.

Figura 9. Interfaz Modificar Mineral.

Si lo que desea es eliminar un mineral de la lista puede elegir el submenú Eliminar. En la ventana que aparece en la Figura 10 se encuentra una lista con los nombres de los minerales que están registrados en la base de datos, tiene que elegir uno y después eliminarlo o pulsar el botón Cancelar.

Figura 10. Interfaz Eliminar Mineral.

Para gestionar los datos de los usuarios de esta aplicación, desde el rol de administrador, se va al menú Gestionar Usuario, el cual tiene un solo submenú Usuario. La ventana que aparece después de seleccionada esta opción tiene dos pestañas: Actualizar Usuario y Cambiar contraseña, en la primera puede tanto adicionar nuevos usuarios como eliminar alguno de los ya existentes (Ver Figura 11). La segunda pestaña mostrada en la Figura 12, como su nombre lo indica es utilizada para cambiar la contraseña de los usuarios.

Figura 11. Interfaz Actualizar Usuario.

Figura 12. Interfaz Cambiar contraseña.

En el caso de la Barra de Menú de Estudiante será similar a la antes mostrada pero sin las opciones:

• Gestionar Mineral
• Gestionar Usuario

El menú Prácticas de la Figura 13 permite escoger las opciones:

• Relieve
• Exfoliación
• Birrefringencia

Figura 13. Barra de Menú de Estudiante con la opción Prácticas.

De cada práctica montada se expone la teoría, el laboratorio y los posibles resultados. En las figuras 14,15 y 16 se muestran ejemplos de estas fichas.

Figura 14. Interfaz Teoría de la Práctica Relieve.

Figura 15. Interfaz Laboratorio de la Práctica Birrefringencia.

Figura 16. Interfaz Posibles Resultados de la Práctica Exfoliación.

CONCLUSIONES

Se ha desarrollado un Laboratorio Virtual (PetroLab), capaz de simular la actividad práctica que realizan los estudiantes de tercer año de la carrera de Geología en la asignatura Petrología. Éste cuenta con una ayuda que facilita su explotación y la utilización del mismo contribuye en gran medida a adquirir por los estudiantes de forma previa, una formación teórica, destrezas y habilidades que les permitan enfrentar el laboratorio real.

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Autor:

Ing. Oliver W. Milan Telleria

Ing. Greter Ramos Padrón

Ing. Yulierky Lago Tamayo

Universidad de Pinar del Río

"Hermanos Saíz Montes de Oca"

Facultad de Informática y Telecomunicaciones

Departamento de Informática

Pinar del Río, 2008