Розробка інтерактивних моделей мікросвіту і методика їх використання при вивченні шкільного курсу

1.4.1 Хімічні моделі

Крім спостереження і експерименту в пізнанні природного світу і хімії велику роль відіграє моделювання. Одна з головних цілей спостереження - пошук закономірностей в результатах експериментів. Однак деякі спостереження незручно або неможливо проводити безпосередньо в природі. Природне середовище відтворюють в лабораторних умовах за допомогою спеціальних інструментів, установок, предметів, тобто моделей. У моделях копіюються тільки найважливіші ознаки та властивості об'єкта і опускаються несуттєві для вивчення. Так в хімії моделі умовно можна розділити на дві групи: матеріальні і знакові [4].

Моделі хімічних і промислових апаратів

Матеріальні моделі атомів, молекул, кристалів, хімічних виробництв хіміки використовують для більшої наочності.

Найбільш поширеним зображенням атома є модель, що нагадує будову Сонячної системи.

Для моделювання молекул речовин часто використовують шаростержневие моделі. Моделі цього типу збирають з кольорових кульок, що позначають що входять до складу молекули атоми. Кульки содіняют стрижнями, що символізують хімічні зв'язки. За допомогою шаростержневих моделей досить точно відтворюються валентні кути в молекулі, але меж'ядерние відстані відображаються лише приблизно, оскільки довжини стрижнів, що з'єднують кульки, не пропорційні довжинам зв'язків.

Моделі Дредінга досить точно передають валентні кути і співвідношення довжин зв'язків в молекулах. Ядра атомів в них, на відміну від шаростержневих моделей, означає не кульками, а точками з'єднання стрижнів.

Напівсферичні моделі, звані також моделями Стюарта - Бріглеба, збирають з куль зі зрізаними сегментами. Моделі атомів з'єднують між собою площинами зрізів за допомогою кнопок. Напівсферичні моделі точно передають як співвідношення довжин зв'язків і валентних кутів, так і заповненість меж'ядерного простору в молекулах. Однак ця заповненість не завжди дозволяє отримати наочне уявлення про взаємне розташування ядер [25].

Моделі кристалів нагадують шаростержневие моделі молекул, проте зображують не окремі молекули речовини, а показують взаємне розташування частинок речовини в кристалічному стані.

Однак частіше хіміки користуються не матеріальними, а знаковими моделями - це хімічні символи, хімічні формули, рівняння хімічних реакцій. За допомогою символів хімічних елементів та індексів записуються формули речовин. Індекс показує, скільки атомів даного елемента входить до складу молекули речовини. Він записується праворуч від знака хімічного елемента.

Хімічна формула - основна знакова модель в хімії. Вона показує: конкретне речовина; одну частинку цієї речовини; якісний склад речовини, тобто атоми яких елементів входять до складу даної речовини; кількісний склад, тобто скільки атомів кожного елемента входить до складу молекули речовини [4].

Всі вищенаведені моделі широко використовуються при створенні інтерактивних комп'ютерних моделей.

1.4.2 Класифікація комп'ютерних моделей

Серед різних типів педагогічних програмних засобів особливо виділяють ті, в яких використовуються комп'ютерні моделі. Застосування комп'ютерних моделей дозволяє не тільки підвищити наочність процесу навчання й інтенсифікувати його, але і кардинально змінити цей процес. В останні роки вдосконалення комп'ютерів проходить бурхливими темпами, і їх можливості для моделювання стали практично безмежними, тому значення комп'ютерних моделей при вивченні шкільних дисциплін може істотно зрости. Е.Е. Ніфантьев, А.К. Ахлебінін, В.Н. Лихачов відзначають, що основна перевага комп'ютерних моделей - можливість моделювання практично будь-яких процесів і явищ, інтерактивної взаємодії користувача з моделлю, а також здійснення проблемного, дослідницького підходів у процесі навчання [23].

В. Н. Лихачов пропонує класифікувати навчальні комп'ютерні моделі по ряду критеріїв, основними серед яких є наявність анімації при відображенні моделі, спосіб управління, спосіб візуального відображення моделі. За наявністю анімації УКМ можуть бути динамічними і статичними. Динамічні містять анімаційні фрагменти для відображення модельованих об'єктів і процесів, в статичних вони відсутні. За способом управління УКМ можуть бути керовані, які дозволяють змінювати параметри моделі, і некеровані, які такої можливості не надають.

Серед демонстраційних (некерованих) моделей можна виділити ще дві групи по можливості взаємодії з користувачем: інтерактивні та Неінтерактивні. Інтерактивні дозволяють змінювати вид відображення моделі або точку спостереження на модель, не змінюючи при цьому її параметрів. Неінтерактивні таких можливостей не надають [21].

Е.Е. Ніфантьев, А.К. Ахлебінін і В.Н. Лихачов вважають найбільш корисною з методичної точки зору класифікацію по моделирующему об'єкту. За рівнем об'єктів моделі, використовувані у викладанні хімії, можна розділити на дві групи: моделі макросвіту. які відображають зовнішні властивості модельованих об'єктів і їх зміна і моделі мікросвіту. які відображають будову об'єктів і відбуваються в них зміни на рівні їх атомно-молекулярного уявлення. А моделі таких об'єктів, як хімічні речовини, хімічні реакції і фізико - хімічні процеси, можуть бути створені як на рівні мікросвіту, так і на рівні макросвіту [23].

Класифікацію УКМ можна представити у вигляді схеми для більшої наочності.

1.4.3 Комп'ютерні моделі мікросвіту

Об'єктами для моделювання на рівні мікросвіту є атоми, іони, молекули, кристалічні решітки, структурні елементи атомів. На рівні мікросвіту моделюються особливості будови речовини, взаємодії частинок, з яких складається речовина. Для моделювання хімічних реакцій на рівні мікросвіту великий інтерес представляють механізми протікання хімічних процесів. А в моделях фізико-хімічних процесів розглядаються процеси, що відбуваються на електронному або атомно-молекулярному рівні.

Зрозуміло, що УКМ, що моделюють моделі мікросвіту, стають відмінними помічниками при вивченні будови атомів, типів хімічного зв'язку, будівлі речовини і т.д. [23].

Моделі атомів 1 - 3 періодів періодичної таблиці Менделєєва реалізовані в програмі «1С: Репетитор. Хімія »в вигляді моделей атома Бора. Більш сучасні уявлення про будову атома реалізовані в програмі ChemLand, де розглядається розподіл електронів по енергетичним подуровням атомів елементів і вид окремих орбіталей на різних енергетичних рівнях.

Особливий інтерес представляє програма HyperChem. Вона являє собою одну з основних професійних програм для теоретичного розрахунку різних термодинамічних та електронних параметрів молекул. З її допомогою виявляється можливим будувати просторові моделі різних з'єднань, вивчати особливості їх геометричної будови, визначати форму і енергію молекулярних орбіталей, характер розподілу електронної щільності, дипольний момент і т. Д. Все вихідні дані надаються у вигляді кольорових малюнків, які потім можна роздрукувати на принтері, отримуючи якісне зображення хімічних сполук в необхідних ракурсах і проекціях. Перевагою програми є можливість розглянути молекулу з різних сторін, ознайомитися з особливостями її просторової будови. Це є надзвичайно важливим, оскільки, як показує практика викладання, в учнів зазвичай не формується уявлення про молекулах як про просторових структурах. Традиційне зображення хімічних речовин в одній площині призводить до втрати цілого виміру і не стимулює розвитку просторової уяви [13].

У мультимедійному курсі «Хімія для всіх» використовується програма - стереодемонстратор молекул. Вона дозволяє надавати об'ємні зображення молекул, що складаються з атомів водню, кисню, вуглецю та азоту. Для демонстрації використовують каркасні моделі молекул. Моделі можна переміщати, повертати, демонструвати одночасно зображення декількох різних молекул. Програма дозволяє створювати нові моделі молекул самостійно. Всього наведені моделі 25 органічних молекул, проте дидактична цінність цих моделей невелика, так як надані моделі досить простих з'єднань, які кожен школяр зможе зібрати, використовуючи пластилін і сірники.

Інтерактивні демонстраційні каркасні моделі використовуються в програмах ChemLand - 115 молекул переважно органічних сполук, і «Хімія для всіх». У цих двох програм є свої плюси і мінуси: в програмі «Хімія для всіх» моделі можна демонструвати на всю поверхню екрану монітора, а в програмі ChemLand такої функції немає, проте, в програмі представлена ​​велика кількість молекул. У програмі ChemLand використовуються динамічні моделі, що демонструють просторову будову молекул з можливістю вимірювання валентних кутів і довжин зв'язків. що дозволяє простежити зміну полярності трикутної молекули в залежності від типу атомів.

При вивченні будови молекул і кристалів можуть бути корисні програми, більше призначені для дослідницьких цілей. Це, наприклад, програма CS Chem3D Pro, яка дозволяє створювати, змінювати і відображати тривимірну структуру різних молекул. Також корисна програма Crystal Designer, яка призначена для візуалізації тривимірної структури кристалічної решітки. Ці програми можуть бути корисні при створенні тривимірних зображень молекул і кристалів і для їх демонстрації на уроках за допомогою комп'ютера.

Програма «Збери молекулу», хоча і поступається за своїми можливостями вищеназваним програмами, може ефективно використовуватися при індивідуальній роботі школярів.

Моделі фізико - хімічних процесів і механізмів реалізовані в програмі «Хімія для всіх». Тут продемонстровані Неінтерактивні моделі по темі «Електролітична дисоціація»: дисоціація солей, кислот, лугів, гідроліз солей. У цій же програмі реалізовані деякі моделі механізмів органічних реакцій: бромування алканів, етерифікація, загальний механізм реакцій полімеризації і т.д. Всі моделі механізмів реакцій Неінтерактивні, демонструються на повний екран, мають звуковий супровід, проте відсутня текстовий опис явищ, що відбуваються, що істотно обмежує використання програми.

В онлайновій версії інтерактивного підручника для середньої школи з органічної хімії для X - XI класів під редакцією Г. І. Дерябін, А. В. Соловова представлені обмінний і донорно-акцепторні механізми утворення ковалентного зв'язку, гомолитически і гетеролітичною механізми розриву ковалентного зв'язку на прикладі відриву атома водню від молекули метану, процес sp - гібридизації. Великий інтерес представляють інтерактивні тривимірні демонстраційні моделі органічних молекул і механізмів хімічних реакцій: хлорування метану і загальний механізм нуклеофільного заміщення. Дуже важливо, що при роботі з моделями можна змінювати їх положення в просторі, а для механізму реакції - змінювати положення точки спостереження.

Ще одна програма, що демонструє механізми хімічних реакцій, програма Organic Reaction Animations. Вона містить 34 механізму органічних реакцій. Причому, кожен механізм представлений у вигляді чотирьох варіантів молекулярних моделей: шаростержневих, об'ємної і двох варіантів орбітально-лопатевих моделей. Один з варіантів орбітально-лопатевих моделей демонструє зміну в ході реакції зовнішніх орбіталей субстрату, а інший - реагенту. Це полегшує спостереження за зміною зовнішніх орбіталей реагентів в ході реакції. При необхідності можна скористатися теоретичним матеріалом [13] [23].