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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  enfoque de la didáctica de la Petrología: Modelo
  para la estructuración de los contenidos, Tesis
  presentada en opción al grado científico de
  Doctor en Ciencias
  Pedagógicas, Pinar del Río, 1999.

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