Redalyc. Investigación combinada y desarrollo de currículos ...

Journal of Materials Education University of North [email protected] ISSN (Versión impresa): 0738-7989MÉXICO

2002 Ronald D. Kriz / Diana Farkas / Romesh C. Batra / Randy T. Levensalor / Sanjiv D.

Parikh INVESTIGACIÓN COMBINADA Y DESARROLLO DE CURRÍCULOS DE MÓDULOS EDUCACIONALES BASADOS EN LA RED EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO

DE LOS MATERIALES Journal of Materials Education, año/vol. 24, número 1-3

University of North Texas Denton, México

pp. 45-57

mailto:[email protected]

http://www.redalyc.org/

Journal of Materials Education Vol. 24 (1-3): 45-58 (2002)

INVESTIGACIÓN COMBINADA Y DESARROLLO DE CURRÍCULOS DE MÓDULOS EDUCACIONALES BASADOS EN LA RED EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES Ronald D. Kriz1, Diana Farkas2, Romesh C. Batra3, Randy T. Levensalor4 y Sanjiv D. Parikh5

Instituto Politécnico de Virginia y la Universidad Estatal: 1Departamento de Ciencia, Ingeniería y Mecánica, Norris Hall, Blacksburg, VA 24061, [email protected]; 2Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Holden Hall, Blacksburg, VA 24061, [email protected]; 3Departamento de Ingeniería, Ciencia y Mecánica, Norris Hall, Blacksburg, VA 24061, [email protected]; 4Departamento de Computación, McBryde Hall, Blacksburg, VA 24061, [email protected]; 5Departamento de Ingeniería, Ciencia y Mecánica, Norris Hall, Blacksburg, VA 24061,EUA, [email protected] RESUMEN Aquí describimos el desarrollo de módulos, los cuales fueron creados dentro del programa de Investigación Combinada y Desarrollo de Currículos (CRCD) de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF). La construcción de módulos de CRCD fue diseñada para dos propósitos, colaborar con la investigación y la pedagogía educativa. Los módulos que aquí se describen se utilizan para la enseñanza en el último año de licenciatura y en el primero de posgrado en los cursos de comportamiento mecánico de materiales que incluyen los resultados de los modelos de simulación basados en física y que fueron utilizados por los instructores en sus investigaciones; estos módulos se desarrollaron utilizando un programa gráfico de interfase Java (GUI) llamado Programa Red Constructor de Interfase (NPIB) que se maneja por medio de un servidor estándar. Se ha dado un énfasis especial al uso de software comerciales que se obtienen en la Red y al desarrollo de nuevos programas que podrían ser utilizados por otros para crear y mantener modelos de simulación con fundamentos de física y así conseguir los resultados proyectados, se ha dado un énfasis mayor para facilitar guías completas de usuario para que los educadores y los investigadores puedan construir sus propios módulos los cuales se extenderían más allá de los objetivos del proyecto CRCD. Para los maestros y los estudiantes el acceso en la red a simulaciones permite a los instructores supervisar el progreso de los alumnos y aumenta la participación de la clase al momento de compartir y discutir los resultados; y los investigadores pueden utilizar el GUI para desarrollar nuevos modelos de simulación. Los módulos, del proyecto CRCD enseñan a los alumnos las bases del comportamiento mecánico de los materiales que es el reflejo de la experiencia de los autores. Los resultados de la simulación abarcan varios niveles, desde el nivel atomístico utilizando el método de incrustación de átomos hasta alcanzar simulaciones de elementos finitos en el nivel de continuidad. Con los módulos se pretende reforzar la forma en la que a niveles atomísticos y microestructurales diversos fenómenos controlan las propiedades macroscópicas. Por medio de computación avanzada y técnicas

Kriz, Farkas, Batra, Levensalor y Parikh

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de visualización, en las que se incluyen los resultados de simulación en un CAVE™, que se utilizan para converger las relaciones de estructura y propiedad en donde las estructuras tridimensionales complejas pueden ser observadas inmersas en un ambiente totalmente virtual. Un equipo interdisciplinario de científicos en materiales y varios ingenieros mecánicos enseñaron los dos cursos. Discutiremos nuestras experiencias en la enseñanza de los dos cursos y lo que aprendimos. Palabras clave: Módulos Educativos en la Red, investigación combinada y desarrollo de currículos, comportamiento mecánico de los materiales, Java, nano escala, microescala, macroescala, CAVETM.

CAVE™ es una marca registrada a nombre de Electronic Visualization Laboratory de la Universidad de Illinois.

1. ANTECEDENTES Los módulos se desarrollaron y distribuyeron en nuestro servidor “Wave-Java”.1 Los primeros esfuerzos para crear un ambiente computacional visual distribuido con base en la Red fueron fundados por SUN Microsystems Inc. SUN, Visual Numerics Inc. y Virginia Tech's Advanced Communications e Information Technology Center (ACITC) a través de la creación de un Modelado Científico y Visualización del Salón de Clases (SMVC). Los Módulos que aquí se discuten fueron ampliamente motivados por el proyecto de alumnos, “Modelos Atomísticos Educativos que utilizan PV-Wave y Java" creados por Arturo Falck, en ESM4714: Análisis de Datos Visuales Científicos y Multimedia, durante el semestre de primavera en 1996.2 El propósito de este proyecto fue utilizar el software comercial existente en la Red y crear un acceso más amistoso Web-based Java interface que interactúe con modelos más grandes de simulación por computadora de dislocaciones y resquebrajamiento en modelos de celosías de cristal que se podrían ejecutar en computadoras a distancia. Los estudiantes utilizan este Web-based Java interface para: 1) introducir la información requerida para la simulación, 2) compilar la información en un archivo, 3) enviar el archivo como un lote procesado a una computadora remota, y finalmente 4) enviar los datos puros de la simulación de vuelta al servidor donde las

imágenes de los datos fueron generadas para que se pueda ver en el servidor Red del cliente. El nivel de participación de la industria en este proyecto fue único, SUN y VNI ayudaron en la creación del Java Web-based interface. Los primeros prototipos que Java/PV-Wave applet se desarrollaron en Virginia Tech se remplazaron con el JWave interface que fue hecho por VNI. El Programa Red Constructor de Interfase (NPIB) sustituyó al Web-based Java interface original; la misma funcionalidad se mantuvo, excepto que la simulación era limitada a el servidor Red. A continuación se presenta una descripción más detallada del JWave y el NPIB. El desarrollo de un servidor Red continuó con el apoyo del programa de Investigación Combinada y Desarrollo de Currículos (CRCD) de la NSF.3 Con dicho apoyo, el servidor Red se actualizó a un SUN Sparc10-Ultra con 1GB de memoria, la cual se utilizó para ejecutar simulaciones más grandes y así generar resultados más representativos para los estudiantes. Un desarrollo posterior del NPIB aumentó la capacidad de ejecución de las simulaciones a sitios Red más grandes, los cuales proveyeron a los estudiantes con un acceso a simulaciones con resultados más realistas. Para llevar a cabo este proyecto dos SUN Sparc10-Ultras dieron un ambiente propicio para el desarrollo y experimentación en donde una estación de

Investigación Combinada y Desarrollo de Currículos de Módulos Educacionales Basados en la Web en el Comportamiento Mecánico de los Materiales

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trabajo se configuró como el servidor y la otra se configuró como un sitio remoto de cómputo. El primer curso se organizó en el servidor con hipervínculos a los módulos Red, los cuales se dividieron en exposiciones, tareas y módulos interactivos4, 5. El primer curso se enfocaba en modelos atómisticos y mecánicos; el segundo curso se orientaba hacia modelos en microescala que predecían el comportamiento mecánico en una escala entre lo atomístico y lo

Figura 1(a). Módulo01 JWave-GUI: constituyentes del sistema de macroescala (fiber/matrix)

propiedades elásticas.

continuo. Los detalles del desarrollo del contenido del primer curso se presentaron en una publicación anterior.5 Aquí se describe el proceso del NPIB Web-based Java Interface y se explica cómo el (GUI) programa gráfico de interfase del NPIB se diseñó y cómo éste facilita los esfuerzos de los estudiantes para que de manera paramétrica hagan un estudio del comportamiento de materiales, el cual fue

modelado y simulado por programas Legacy que fueron escritos por los instructores de la clase. Para comparar el mismo código Legacy que se utilizó en el desarrollo del CRCD Módulo01 a microescala (JWave-GUI) y el módulo02 interfaces (NPIB-GUI).4 Estos ejemplos junto con las guías de usuario para JWave NPIB proveen a los que se encargan de desarrollar los programas con la información necesaria para construir los módulos que van más allá de los objetivos de este proyecto de CRCD. 2. CREACIÓN DE LOS MÓDULOS JWave Y NPIB Tanto los módulos JWave y NPIB están configurados para ejecutarse en una servidor Apache, así que el usuario puede colocar todos los módulos en sus ~<user-name>/public_html directory. Los detalles para configurar el JWave (Módulo01) y NPIB (Módulo02) en el directorio del usuario public_html se encuentran disponibles si se analiza la construcción de estos módulos Red que se localizan en la sección de “Micro” del servidor CRCD.4 La configuración de los módulos en un directorio public_html facilita el impulso del módulo, en donde múltiples usuarios pueden crear y mantener sus propios módulos en el servidor sin la asistencia de un sistema administrador. Los sistemas administradores son sólo un requerimiento para crear un acceso por cada usuario dentro de un archivo localizado en el directorio cgi-bin. 2.1 JWave La Figura 1 muestra el módulo01 JWave interactivo applet GUI. Este último permite que el estudiante llene los parámetros, la Figura 1 (a); La figura 1 (b) muestra el código Legacy que se necesita para calcular la propiedad elástica. Cuando el botón para “Update Plot” se presiona el applet transfiere los parámetros a un procedimiento PV-Wave, el cual grafica los resultados.



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El Módulo01 fue creado para que los estudiantes experimenten con los diferentes modelos mecanísticos que precisen las propiedades anisotrópicas elásticas en una macroescala, la cual se calcula de una microescala constituyente (fiber/matrix) de

Figura 1(b). Módulo01 JWave-GUI: Macroescala Gráfica elástica anisotrópica polar del radio de Poisson para un material compuesto de fibra reforzada unidireccional calculado con base en la microescala de las propiedades (fiber/matrix) mostradas en la Figura 1 (a). propiedades elásticas. La elasticidad anisotrópica es fundamental para entender el comportamiento mecánico en muchos materiales, los cuales son altamente anisotrópicos. Aquí, sólo los resultados gráficos vuelven a través del applet JWave. Los mismos modelos a microescala fueron utilizados en el módulo02 para realizar una comparación, en donde la interfase NPIB-GUI regresa a los mismos resultados gráficos, pero a la par del código base y de los juegos de datos de todo el modelo de simulación. Dicha comparación demuestra dos GUI diferentes, pero igualmente útiles y esto le da opción al programador; en algunos casos sólo se requieren los resultados gráficos, y en otros los clientes (estudiantes/investigadores) pueden requerir

más información para analizar e interpretar los resultados de la simulación. Se requieren dos archivos para crear las gráficas polares mostradas en la Figura 1(b): el JWave applet grabado en un documento HTML que corra en el buscador Red del cliente y el servidos PV-Wave. Únicamente los resultados gráficos se regresan al módulo JWave. El JWave 3.0 applet se desarrolló con unos cuantos pasos fáciles de seguir. 1) instalar en JWave, 2) correr el servidor JWave y configurar las rutas y la estructura del directorio para acceder a los archivos de Java (*.jar) y compilar los archivos de procedimientos (*.cpr) del PV-Wave, 3) crear un applet HTML y 4) crear el procedimiento PV-Wave. Los archivos de java contienen todas las clases que necesita el servidor JWave. El archivo java contiene todas las clases que necesita el servidor JWave, ya que también se utilizan para crear los formularios del java-script incrustado en HTML, los cuales actúan como una interfase de GUI para la entrada de datos y la salida de los procedimientos del PV-Wave. El procedimiento PV-Wave Legacy necesita ser modificado con un API JWave, el cual se comunica con los archivos de Java. El desarrollo de los applets de JWave requiere una inversión muy significativa de tiempo para entender y aprender cómo se comunica el applet javascript/JWave con el procedimiento PV-Wave, esto se hace a través de JWave wrappers. JWave wrappers son funciones VNI in-house de Java que se guardan en archivos JWave<type>.jar. Estas funciones se utilizan dentro del HTML java-script incrustado para llamar y ejecutar comandos específicos del PV-Wave. A continuación se muestra un ejemplo de cómo los datos de la Figura 1(a) pasa a través del applet JWave hacia un procedimiento PV-Wave, el cual calcula y dibuja la gráfica polar del radio de Poisson que se muestra en la Fig. 1(b). Hay una variedad de estas funciones wrapper dentro del JWave que permite y facilita la

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codificación simple y efectiva de los formularios HTML, las cuales acceden al análisis de los datos masivos del PV-Wave y a la visualización del cuadro de herramientas. Desde que el Jwave es un paquete comercial existen múltiples ejemplos y guías de usuario muy comprensibles. Más allá del wrapper API JWave, uno sólo necesita un poco de disponibilidad para aprender el javascript y lenguaje de programación básico del PV-Wave. El JWave fue diseñado específicamente para trabajar con los archivos del procedimiento PV-Wave Legacy; para generar formularios Red con campos de texto, botones, casillas de verificación, los menús que se desplieguen, etc., si se entiende el javascript GUI es más que suficiente para llevar a cabo lo anterior. El siguiente código fragmentado es simplemente un código HTML (javascript) que se utiliza para generar un texto que funciona como campo de entrada de y regresa su valor a la función "setFormParam" del applet de JWave, la cual, en este caso, fija los valores para todas las variables 'em, num, efl, eft, etc.'que se muestran en la Figura 1(a).  <HTML><HEAD> <TITLE>JWaveApplet Poisson's Ratio Polar Plot</TITLE> <SCRIPT LANGUAGE=JavaScript> . . . // Application specific code var dataNeedsRecalc = true; function updatePlot() { with (document) { // easier if (! FOOBAR.isStarted()) { setTimeout("updatePlot()", 250); return false; } // Set params for the plot from their form objects setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.em); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.num); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.efl); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.eft); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.gflt); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.gftt); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.kftt); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.vf1); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.vf2); setFormParam(FOOBAR, JWavePlotForm.vf3); // make the plot if (dataNeedsRecalc) { FOOBAR.execute(); dataNeedsRecalc = false; } } return false; // prevent reload of page if called from FORM submit } // --> </SCRIPT> </HEAD>

<BODY onLoad="updatePlot()"> <FORM NAME=JWavePlotForm onSubmit="return updatePlot()"> <table border width=820 height=600> <tr><th> <APPLET NAME="FOOBAR" CODE="com.visualnumerics.jwave.JWaveApplet" CODEBASE="../../../jwave/classes" ARCHIVE="JWaveConnectInfo.jar, JWave.jar" WIDTH=480 HEIGHT=568> <PARAM NAME="FUNCTION" VALUE="nu32polar"> <PARAM NAME="EXECUTE_ON_START" VALUE="NO"> </APPLET> . . . </BODY></HTML>

El siguiente fragmento de código es el procedimiento wrapper PV-Wave API, el cual transfiere los valores para todas las variables, 'em, num, efl, eft, etc.' en el archivo para la ejecución del PV-Wave.

;---------------------- filename: nu32polar.pro -------------------------------- ; This file is called by | Compile nu32polar.pro & save as*.cpr ; nu32polarplot.html in same directory | WAVE> .run, nu32polar ; This file is located at | WAVE> compile, 'nu32polar' ;~home/public_html/crcd/modules/module01 | The compile creates nu32polar.cpr ;------------------------------------------------------------------------------ ; !! NOTE: file nu32polar.cpr must be located at ~rkriz/public_html/crcd/bin !! ;------------------------------------------------------------------------------ function NU32POLAR, client_data;!! JWave UNCOMMENT !! ; !! JWave UNCOMMENT !! p-array elements below p=fltarr(10) p(0) = getParam(client_data, 'em', /Value, Default = +0.528E+10) p(1) = getParam(client_data, 'num', /Value, Default = +0.354) p(2) = getParam(client_data, 'efl', /Value, Default = +0.232E+12) p(3) = getParam(client_data, 'eft', /Value, Default = +0.150E+11) p(4) = getParam(client_data, 'gflt', /Value, Default = +0.240E+11) p(5) = getParam(client_data, 'gftt', /Value, Default = +0.502E+10) p(6) = getParam(client_data, 'kftt', /Value, Default = +0.150E+11) p(7) = getParam(client_data, 'vf1', /Value, Default = +0.00) p(8) = getParam(client_data, 'vf2', /Value, Default = +0.60) p(9) = getParam(client_data, 'vf3', /Value, Default = +1.00) . . . ;--- Above this line is the "wrapper" need to interface with the JWave API --- ;----------------------------------------------------------------------------- ;------ Below this line is the legacy PV-Wave code previously written -------- ;--------------------------- ORIGINAL: nu32.pro ------------------------------ . . . return,0 end

Para un programador de Java con experiencia, codificar estos objetos en javascript es algo relativamente fácil. La única codificación que se necesita es crear un archivo HTML/javascript y modificar un procedimiento legacy PV-Wave para incluir un wrapper JWave API. Para que este procedimiento se aprenda con mayor rapidez, VNI creó unos cuantos applets JWave de demostración, los cuales contienen unos botones, algunos menús descendentes, campos de entrada codificados en formularios de HTML javascript. Al entender la salida del applet, se vuelve muy fácil generar un análisis interactivo de datos en Red y una visualización de un cuadro de herramientas por medio de unas cuantas modificaciones a los demos del applet JWave de VNI y a los procedimientos existentes de PV-Wave. Para ayudar en el futuro desarrollo de applets JWave, se colocó una página Red en la pestaña de “herramientas” con ligas para descargar el programa de JWave, bajar demostraciones



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muestra y descargar tanto tutoriales como guías para los usuarios en la sección CRCD del servidor Red4. 2.2 NPIB 6 Desde el principio, el NPIB fue diseñado como un simple intermediario entre los estudiantes y los complejos programas Legacy de ingeniería que los instructores de las clases desarrollaron. Los temas importantes son utilizar las herramientas existentes, una plataforma independiente y un sistema mínimo de administración, los cuales fueron una guía en ciclo de desarrollo.6 Se escogió el Java que utiliza el JDK de SUN como la plataforma primaria en desarrollo. El JDK 1.2 funciona muy bien en todos los principales servidores Red. La mayor diferencia entre el JWave y el NPIB es que el JWave devuelve solamente resultados gráficos y el NPIB fue diseñado para mostrar y archivar todos los resultados de los modelos de simulación cada vez que el cliente envíe o presente un trabajo paramétrico único para el módulo que se está realizando; los resultados de las simulaciones se archivan como un directorio Red accesible <unique-directory-name>, el cual puede ser accedido por cualquiera que esté interesado en colaborar con la investigación o participar en la clase. El NPIB puede dividirse en seis distintas fases: 1) la creación del formulario NPIB, 2) el formulario de la pantalla, 3) la entrega de los datos, 4) la ejecución local, 5) la ejecución remota y 6) la entrega de los resultados. 2.2.1 Creación de un Formulario NPIB La creación de un formulario NPIB abarcó la mayor parte del tiempo en el desarrollo; los instructores crearon los formularios, los cuales recaban los datos de los alumnos. En este punto se decide sobre la forma y la vista de los formularios y el formato de los archivos que serán utilizados por el código de simulación legacy. Las versiones 1.0 y 1.3 del NPIB hacían uso de un solo GUI para crear tanto el diseño de

los formularios como el formato del código de los archivos legacy; este procedimiento era engorroso e inflexible. Entonces, el NPIB fue mejorado y apareció la versión 1.4, la cual utilizaba un lenguaje de programación para describir el diseño de los formularios y del código de los archivos legacy. Esto último les dio a los instructores mayor flexibilidad y control de la clase; debido al estricto control de la sintaxis del lenguaje, modificar estos formularios con un editor de texto era una tarea muy laboriosa. Desde que se implementó un lenguaje sintácticamente único hubo una curva de aprendizaje mayor asociada con la versión 1.4 del NPIB.

Figura 2. "NPIB Creador", la versión 1.6, crea una ventana que se utiliza por los instructores para construir los formularios NPIB y así el formulario Red resultante parece como un buscador Red para el cliente excepto por la información que se requiere para el proceso remoto, ver Figura 5.



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Figura 3. Las propiedades que componen el NPIB se asignan aquí.

Las versiones actuales del NPIB, 1.5 y 1.6, integran los puntos fuertes de los diseños anteriores, y al mismo tiempo se intenta eliminar sus mayores inconvenientes. Se utiliza un GUI para diseñar los formularios por medio de un método WYSYWIG, ver la Figura 2. Los instructores son capaces de manejar los componentes de los formularios y verlos de la misma forma que los estudiantes lo hacen en el servidor Red. Las propiedades específicas para los elementos de los formularios se ajustan cambiando los valores en un diálogo similar de Java Beans7, ver la Figura 3. Se formatea la salida a través de un lenguaje más simple e intuitivo, ver la Figura 4. Hasta el momento no se han realizado pruebas del uso formal para verificar lo dicho anteriormente. Sin embargo, la retroalimentación directa por parte de los usuarios indica que la meta fijada para la última

versión del NPIB se logró satisfactoriamente. Como el desarrollo del JWave, los módulos del NPIB requieren una importante inversión de tiempo, aunque la versión más reciente del programa es más simple e intuitiva; por lo tanto, más docentes ya no desarrollarán sus propios módulos, en lugar de eso, los estudiantes o el grupo técnico crearán dichos módulos. 2.2.2 Diseño de Formularios El mismo archivo NPIB creado por los instructores se muestra al cliente (estudiante o investigador) como un applet, utilizando un buscador Red estándar, ver la Figura 5. Se escogió este método por su amplia disponibilidad de servidores Red. Es importante notar que el formulario NPIB que se muestra en la Figura 5, como lo ve el cliente, contiene información adicional en el botón del formulario para enviar la simulación a un sitio específico.

Figura 4. El "Editor de Salida" controla el formato de los archivos de datos, <file=polar.dat>, utilizados por el código de simulación legacy. 2.2.3 La Entrega de Datos La entrega de los datos de un cliente se debe procesar en el servidor Red. Los datos se envían



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al servidor por medio de un zócalo, antes de que los datos sean enviados, se convierten en archivos formateados, el servidor recibe el texto y lo descarga en los archivos apropiados con los nombres específicos del formulario; el servidor, que recibe esta información, los escribe en Java. 2.2.4 Ejecución Local No se han creado nuevos programas para agregar a la ejecución actual desde que se utilizan varios métodos para ejecutar los programas. Las implementaciones actuales emplean interfases básicas de creación de comandos, ya que éstos se pueden teclear si el programa se corre manualmente. La ubicación de los archivos con los datos y los parámetros pasan del formulario a una línea de comandos parámetro en un archivo de secuencia de comandos. Algunos otros métodos que se pueden usar incluyen lenguajes como C, C++, Fortran, Perl o cualquier otro lenguaje que se pueda ejecutar. 2.2.5 Ejecución Remota ("Receptor") Las peticiones iniciales para el receptor eran que el programa se ejecutara en máquinas con servidor Red, esto traía ciertas complicaciones en el nivel de implementación, en el nivel de ejercicio y en el nivel administrativo. Esto requería que el receptor se instalara y siempre se corriera como un demonio en cualquier máquina en la que el programa se necesitara correr. Finalmente, damos un vistazo a las herramientas y encontramos varias soluciones; el método preferido es utilizar la secuencia de comandos “expect” y asegurar la interfase (ssh) para mover los archivos y ejecutar los programas de simulación de manera remota, esto se logra con la línea de secuencia de archivos de comandos. 2.2.6 Los Resultados mostrados Los resultados de la simulación se regresan al cliente (estudiante o investigador) al abrir una nueva ventana del buscador y se envía la dirección de correo electrónico del cliente cuando la simulación se ha completado. En el momento que la transferencia del archivo de la

computadora está completo, una nueva ventana del servidor se despliega y se muestra el directorio donde los resultados de la simulación Figura 5. El formulario del NPIB desde la vista del servidor Red del cliente, el cual se utiliza para enviar los trabajos a computadoras en otros lugares.

aparecen en cuanto son regresados por el servidor. Dentro del directorio, el cliente puede ver los resultados de la simulación en tiempo real, ver la Figura 6. Cuando la simulación está completa se envía un correo electrónico al cliente en el que se incluye una liga a la dirección donde él puede ver los resultados. La versión 1.6 de los archivos de los resultados de la simulación de NPIB con una estructura de directorio única: "../user-name/application/client-email-date-time". La Figura 6 muestra un archivo de “trabajo” en tiempo real de los resultados de una simulación para calcular la propiedad elástica en las gráficas polares.



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Figura 6: "Trabajar" un archivo de simulación en tiempo real para calcular la propiedad elástica en gráficas polares de un compuesto de fibra reforzada unidireccional. Para comparar una gráfica polar de radio Poissons como se muestra en la Figura 1(b) ésta puede ser vista si se selecciona el archivo nu32.jpg de este directorio. 3. RESULTADOS Y LECCIONES APRENDIDAS 3.1 ESM-MSE4984 y ESM-MSE5984 El primer curso NSF-CRCD de nivel superior (ESM-MSE4984) ocurrió durante el semestre de otoño de 1998 y el segundo curso (ESM-MSE5984) en nivel licenciatura se impartió durante el semestre de otoño de 2000. Ambas clases tienen una duración de una hora tres veces por semana: lunes, miércoles y viernes. Los lunes y miércoles se reservan para las exposiciones, mientras que el viernes los estudiantes se reúnen con sus instructores en Salón de Visualización y Modelado Científico (SVMC) del ACITC. Los alumnos de posgrado

utilizan el SVMC más que los de licenciatura. Debido a las mejoras en el servidor CRCD, los alumnos usan los módulos del CRCD fuera del SVMC, por cual este último se utiliza menos. Los resultados de la clase de posgrado se colocan en la sección "ESMMSE4984" del servidor CRCD.4 Los proyectos de los estudiantes también se insertan en el mismo sitio.

Figura 7. La vista de la simulación CAVE de un Modo-I crack que se propaga junto con el límite Ni-Al grain (nanoescala modulo01). Las líneas blancas simulan los límites del CAVE, la esfera simula una cabeza cerca del centro del espacio del CAVE con dos puntos negros para los ojos, los cuales sólo pueden simular la experiencia inmersa de estar dentro del CAVE. Una lista de exposiciones con diversos temas y módulos interactivos de simulación para ambas clases está organizada como se muestra en la Tabla I para cada una de las escalas y las nanoescalas, microescalas y macroescalas. La mayor parte de los módulos interactivos se asocian con las Exposiciones y la tarea. Se diseñaron dos módulos de nanoescalas y uno de microescalas para utilizarse en el CAVE; para estos tres módulos los alumnos pueden abrir la dirección ULR en la computadora CAVE y cargar directamente los archivos del inventor (*.iv) en el CAVE utilizando, ya sea con las aplicaciones RARAnav o las PFnav. Los estudiantes, entonces, pueden navegar en estas complejas estructuras tridimensionales (3-D).



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La Figura 7 muestra a un estudiante la cabeza roja esférica, con dos ojos negros, observando el mode-I crack que se propaga al límite Ni-Al grain. Por medio de esta simulación los alumnos pueden observar la emisión de una dislocación de la punta del crack, la cual resulta en un crack con un radio crack más largo y por lo tanto una fuerza de fractura mayor. La Figura muestra la anisotropía elástica de una clase de simetría cristálica especial ortorrómbica que resulta en una onda de tensión sobre la superficie de glyph: longitudinal y las dos ondas transversales se conectan en una sola superficie.8 En ambos casos la experiencia de inmersión en el CAVE puede usarse para estudiar y analizar tres estructuras y las propiedades de sus respectivos materiales; se hace referencia a varias publicaciones que muestran cómo se utilizó en CAVE como una herramienta efectiva de investigación.10-14 3.2 Las Cosas que Funcionaron Bien Exceptuando las caídas del sistema del servidor, las interfases del NPIB y el JWave trabajaron muy bien para los alumnos de licenciatura y de posgrado en las clases de CRCD.

Figura 8. La vista de la simulación del CAVE desde los cuatro puntos de tensión rígida de la superficie de onda glyph que representa una clase de simetría cristálica especial ortorrómbico, en donde las superficies de onda longitudinal y transversal están conectadas en un sola superficie8 (microescala módulo04). Sólo se muestra la onda transversal de la superficie para mayor simplicidad; la onda completa conectada requiere de una inmersión total en el CAVE. El formato de los datos Glyph es VRML 1.0.

Tabla I. División del Curso CRCD

Nanoescala Microescala Macroescala Exposiciones: • Unión de Cristales • Estructuras de Cristales • Comportamiento Mecánico

de los Cristales • Dislocaciones • Fracturas • Fracturas e Interfases

Exposiciones:

• Rupturas de Interfase • Anisotropía • Compuestos de compuestos de fibra

reforzada • Problema de bordes laminados libres de

dilatación • Singularidades de laminado de interfase • Singularidades en las rupturas de

laminados • Cuarteadoras en materiales

homogéneos: • Isotrópicos • Anisotrópicos

• Propagación de onda: • Isotrópica • Anisotrópica

Exposiciones:

• Tensión • Equilibrio • Cadenas • Caracterización de materiales • Condiciones de límite • Fuerzas de trabajo externas • Potencial de Energía Mínimas • Teorema de Unisidad • Deformación de la barra eje • Conectores de la terminal de

distorsión de rayo



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Módulos Atomísticos:

• (01) Punto de rompimiento de una fibra de Ni-Al

• (02) Disponibilidad de hierro

Módulos heterogéneos:

• (01,02) Ploteo polar anisotrópico • (03,04) Tensor de rigidez Cijkl glyph • (05,08) Análisis de plato de un

laminado linear elástico (LELPA)

• Elemento del modelo laminado finito en un Plano Generalizado de borde de tensión de cadena FEM

• (06) No tejido [0/±45/90]s • (07) Tejido [0/90]s

• Elemento del modelo de laminado finito en un Plano de Generalización de la tensión interior de cadena FEM • (09) Sin fractura interior en el

doblez • (10) Con fractura interior en el

doblez • Singularidad del método de Stroh

(15a) Tensión de un borde libre • (15b) Fractura de una lámina

doblada • Comportamiento mecánico de la

dinámica anisótropica • (18) 1D FEM • (19) 2D FEM (30x60) maya • (20) 2D FEM (45x180) maya

Módulos continuos:

• (01) Tensiones en cilindros de pared delgada

• (02) Transición dúctil delesnable

Los resultados en las clases de licenciatura muestran que el tiempo más productivo de los cursos de CRCD fue aquel que los alumnos e instructores pasaron en el SVMC los viernes; estos días de clase son para aquellas sesiones en las que los alumnos pueden realizar preguntas e intentar sus nuevas ideas, las cuales son comentadas por los maestros quienes les ayudan a interpretar los resultados de la simulación. Los maestros reciben una retroalimentación de cómo están trabajando los formularios del JWave y el NPIB y lo que se necesita mejorar. Las sesiones de los viernes también ayudan a que el alumno obtenga confianza en sí mismo y así complete exitosamente las tareas y trabajos que se le piden. Los resultados de la clase de posgrado mostraron que algunas mejoras significativas en los módulos Red del CRCD disminuyen el uso del SVMC por parte de los alumnos. 3.3 Las cosas en las que se necesita trabajar En la primera clase, la parte “constructora” del NPIB tuvo una mejora, ya que se le agregaron algunas características, aunque los formularios de la versión 1.4 funcionaron adecuadamente. Sin embargo, no era tan estable como se requería para que los instructores crearan sus

propios formularios; en consecuencia, el equipo de apoyo técnico creó los formularios del NPIB versión1.4 un código o secuencia de comandos cuya sintaxis es difícil de aprender para los instructores. Así se llegó a la versión 1.5 actualizada del NPIB cuya secuencia de comandos fue remplazada por un constructor integrador de formularios Java. Este integrador permite a los instructores que no están instruidos en Java crear formularios interactivos NPIB. Los alumnos del curso NPIB 1.4 en licenciatura trabajaron únicamente en las estaciones SMVC UNIX con Netscape 4.5. Ya cerca del fin de semestre logramos los formularios para el NPIB 1.4 y trabajaran en ambiente con servidores Windows-Net Web, lo anterior se debe a que Windows-NT maneja una pantalla con la función de “actualizar”. Para la primera clase el CAVE se ubicó fuera del campus y para la segunda se encontraba en reconstrucción en el ACITC. 3.4 Las Lecciones Aprendidas El desarrollo de la interfase de java es una tarea difícil, mas no imposible, para los profesores de ingeniería que no cuentan con un conocimiento previo en computación; aún si se utiliza un



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javascript con HTML los profesores encuentran dificultades para el manejo del programa. Estos mismos profesores tampoco cuentan con la experiencia en la rutina de administración de sistemas que se necesita para configurar y mantener los servidores Red. Además, debe existir un compromiso de parte del departamento o del colegio que apoya este curso en la Red y también se debe dar una capacitación continua a los profesores sobre cómo acceder y utilizar sistemas tales como el NPIB. Debido a que los recursos son limitados y todavía existe una reticencia a las nuevas tecnologías, el aspecto más difícil del proyecto ha sido crear y apoyar cursos que se manejen en la Red. Es por todas estas dificultades que el Departamento de Computación15 mantuvo el servidor del NPIB como un ambiente de Solución de Problemas en Grupo. En las dos clases descubrimos, con base en la experiencia previa, que los programas y los administradores del sistema necesitan trabajar de manera más unida; típicamente, sólo se necesitaba instalar un compilador estándar de lenguaje junto con un grupo de usuarios de servicio para responder las preguntas. Con la pronta llegada de la red de trabajo, los profesores y el grupo de apoyo técnico ya no pueden aislarse en el “nuevo mundo” de la computación en donde los programas de aplicaciones de dominio popular en la Red se encuentran en cambios constantes. Los programas exitosos requieren de profesores devotos que deseen aprender habilidades computacionales y la manera de cómo trabajar en equipos. También experimentamos cómo el Java necesita mantenimiento al igual que las primeras interfases estándar que se desarrollaron en el IFC del Netscape, los cuales tuvieron que ser reescritos. Nuestra experiencia en la clase que utilizaba el trabajo en equipo dio grandes recompensas, aunque fue sumamente difícil. Una cantidad mayor de tiempo se ocupó, en la primera clase, para resolver los problemas técnicos que para desarrollar el contenido del curso. Esta

tendencia se revirtió en la segunda clase, ya que muchos de los módulos ya estaban desarrollados y una gran mayoría de los problemas técnicos ya habían sido resueltos. Más módulos en la sección “Micro” se crearon para la segunda clase. Para continuar con la experiencia de aprendizaje, pudimos apreciar que los viernes en la primera clase en que utilizó el SVMC, los estudiantes necesitaban acceder al servidor Java-Web desde afuera del SVMC. Aunque el manejo del sistema es conveniente, a los alumnos no se les solicitaba que trabajaran en alguna estación particular; algunas de las universidades, debido a consideraciones de seguridad y de conveniencia en el manejo, prefieren aislar estos recursos hacia un acceso remoto, tales políticas resultan en ocasiones contraproducentes cuando cada uno de los estudiantes se le pide que traiga su propia computadora y cuando a los profesores, que se encuentran fuera de lugar, se les solicita que diseñen un curso en materiales, pero no pueden hacer esto de manera remota. La mejoras del servidor CRCD permite a los alumnos de la segunda clase trabajar casi en su totalidad en dicho servidor; el acceso remoto ayudará al futuro desarrollo de los cursos a distancia. 3.5 Desarrollo a Futuro Ya que el CAVE y el SVMC no trabajaban al 100% durante el tiempo en que enseñábamos el segundo curso, esperamos impartir este curso ahora que el sistema es totalmente operacional. Desde que se impartió el segundo curso se han realizado varias mejoras, el servidor Java se actualizó en el JWave 3.0, mejores medidas de seguridad se han implementado sin restringir el acceso al sitio ftp anónimo y se actualizó el NPIB en la versión 1.6. Así pues, los profesores pueden crear o construir sus propios formularios de JWave y NPIB en sus directorios public_html. He aquí otras ideas que están por desarrollarse: 1) validar y verificar los datos antes de que se envíen al servidor para cotejar los tipos de datos: int, flotantes, etc., y 2) autogenerar formularios NPIB con archivos



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de entrada específicos (trabajar con los archivos existente del Legacy). Aunque nuestro servidor actual, el Sparc10 Ultra se actualizó a 1 GB de memoria con 92 GB de espacio de disco, en un futuro cercano esperamos mudar el servidor del NPIB a un servidor SGI Origin 2000 con 8 R10K UPD, 8GB de memoria y 73GB de espacio en disco. Con la versión actual del NPIB 1.6 podemos acceder a un sitio remoto para que así los estudiantes puedan obtener los resultados de sus simulaciones rápidamente y enviar un mayor número de simulaciones de vuelta que arrojaran resultados más realistas. Con la actualización del NPIB 1.6 trabajando, planeamos acceder a nuevos sistemas computacionales de alto desempeño en el Tecnológico de Virginia: 1) Computadoras Sun Enterprise 6500 con diecisiete procesadores 400MHz (8MB cache), 18GB de memoria, y 144GB of RAID disk, 2) SGI Origin 3400 rack con 8 R12K UCP, 8GB de memoria y 146GB de espacio en disco, y 3) un grupo Beowulf con 1GHz 200 UPC y 1GB de memoria por UPC. Los módulos del NPIB se podrán extender a otras clases del departamento de Ingeniería, Ciencia y Mecánica (ICM). Esperamos que el interés siga creciendo hacia otras clases de ICM y que, eventualmente, el departamento de ICM tenga su propio curso en un servidor JWave. RECONOCIMIENTOS Los autores reconocen al NSF por la creación de la “Investigación Combinada y Desarrollo de Currículos: Simulación por Computadora del Comportamiento de Materiales – desde un Nivel Atomístico y Continuo” (EEC-9700815), y al apoyo dado por SUN Microsystems Inc. y Visual Numerics Inc. para crear el salón de Modelado Científico y el aula de Visualización del ACITC. 4. REFERENCIAS

1. R.D. Kriz, SUN-VNI Wave-Java Server: http://www.jwave.vt.edu.

2. R.D. Kriz, Scientific Visual Data Analysis and Multimedia: http://www.sv.vt.edu/classes/ESM4714/ ESM4714.html.

3. R.D. Kriz y D. Farkas, "Using Materials Resources on the World Wide Web for Introductory Materials Science Teaching," J. Mater. Ed., 19 núms.1&2, 111-119, (1997).

4. R.D. Kriz, D. Farkas, y R.C. Batra, Computer Simulation of Behavior from the Atomistic to the Continuum Level: http://www.jwave.vt.edu/crcd/.

5. R.D. Kriz, D. Farkas, y R.C. Batra, "Integrating Simulation Research into Curriculum Modules on Mechanical Behavior for Materials: From the Atomistic to the Continuum", J. Mater. Ed., 21, nos. 1&2, 43-52, (1999).

6. Network Program Interface Builder: http://www.jwave.vt.edu/npib/npib.html

7. SUN Microsystems Java Beans: http://java.sun.com/beans

8. H.M. Ledbetter and R.D. Kriz, "Elastic-Wave Surfaces in Solids," Physica Status Solidi, 114, 475-480, (1982).

9. S.D. Parikh, VRML 1.0 formato requerido pra el CAVE y el VRML Web-based viewer: http://www.sv.vt/edu/ classes/vrml/exercise3.htm

10. H. Van Swygenhoven, D. Farkas, y A. Caro, "Grain-boundary structures in polycrystalline metals at the nanoscale", Phys. Rev. B, .62(2), 831, (2000).

11. D. Farkas, "Bulk and intergranular fracture behavior of NiAl" MRS Bull., 25(5), 35, (2000).

12. D. Farkas, "Fracture mechanisms of symmetrical tilt grain boundaries", Philos. Mag. Letters, 80(4), 229, (2000).

13. D. Farkas, "Atomistic studies of intrinsic crack-tip plasticity", Philos. Mag. A, 80(6), 1425, (2000).

14. H. Van Swygenhoven, M. Spaczer, D. Farkas, et al., "The role of grain size and the presence of low and high angle grain boundaries in the deformation mechanism of nanophase Ni: A molecular dynamics computer simulation", Nanostr. Mater., 12(1-4), 323, (1999).

15. C. Shaffer, Problem Solving Environment: http://www.cs.vt.edu/~p

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