Создание и использование комплекса современных моделей атомов и молекул для изучения строения веществ, их физических и химических свойств при изучении школьного курса химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ содержания курса химии 8-11 класса по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами наглядного моделирования

1.1 Задачи и особенности изучения строения вещества в школьном курсе химии

1.2 Моделирование как метод научного исследования и его роль при формировании целостного знания о строении вещества

1.3 Традиционные модели атомов и молекул, используемые в преподавании естественнонаучных дисциплин

Глава 2. Педагогико-эргономические требования к созданию и использованию моделей для изучения строения вещества

2.1 Принцип научности и адаптация новых научных данных для обучения. Современные тенденции развития моделирования

2.2 Педагогико-эргономические требования к моделям атомов и молекул и их новые дидактические возможности

2.3 Характеристика комплекта моделей для изучения строения веществ

Глава 3. Организация использования комплекса моделей при изучении строения вещества в курсе химии средней школы

3.1 Методические возможности использования комплекса с включением кольцегранных моделей при изучении строения веществ в курсе химии средней школы

3.2 Методические приёмы использования комплекса моделей с включением кольцегранных моделей для демонстрации и проведения практических работ по неорганической и органической химии

3.3 Экспериментальная проверка педагогической эффективности комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность исследования

В современной общеобразовательной школе осознанное понимание химических процессов требует глубокого изучения строения атомов, молекул, кристаллических структур тел и природы химической связи. Курс химии средней школы строится на основе атомно-молекулярной теории, закона Авогадро, законов постоянства состава и сохранения массы вещества, периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, теории строения веществ.

Формирование понятий о строении вещества относится к одной из наиболее важных задач в методике обучения химии.

Моделирование - это метод познания изучаемых качеств объекта через модели: действия с моделями, позволяющие исследовать отдельные, интересующие нас качества, стороны или свойства объекта или прототипа.

Учебные модели составляют существенный компонент учебно-методического комплекта, центральное место в котором принадлежит учебникам и учебно-методической литературе.

Модели определяются как учебные изобразительные средства, замещающие натуральные объекты и передающие их структуру, существенные свойства, связи и отношения.

Особенное значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. Модель оказывается единственным объектом, который является носителем информации о процессе или явлении. В такой ситуации большое значение отводится модельному эксперименту. Модельный эксперимент - это особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. К модельному эксперименту, в котором вместо самого объекта изучается замещающая его модель, прибегают в случаях, когда объект исследования недоступен наглядному созерцанию, как объект микромира. Поэтому проблема моделирования особенно актуальна в естественных науках. В физике и химии - это проблема моделирования микрообъектов, то есть атомов и молекул.

Наибольший объем информации человек получает с помощью зрения, поэтому в первую очередь должны быть представлены «очевидные» модели. Предпочтительнее, чтобы они были ещё и осязаемые, то есть материальные. Опыт многолетнего применения моделей в процессе обучения химии показал их большую роль в процессе обучения, эффективность воздействия с их помощью учителя на ученика. Необходимость использования наглядных моделей, продолжающееся их совершенствование и появление новых моделей обусловлены развитием химии как науки и продолжающимся развитием методики технологий обучения.

Существенным фактором, препятствующим созданию моделей, удовлетворяющих педагогико-эргономическим требованиям, является несовместимость современных научных представлений с большинством простых и наглядных образов, используемых в моделировании. Попытка адаптации научных данных к процессу обучения в школе приводит к созданию упрощённых моделей и связана с определенными погрешностями в отображении свойств. Фактически создание учебных моделей сводится к задаче оптимального выбора между моделями различной степени сложности и различной изобразительной мощности. С дидактической точки зрения, это неизбежно приводит к необходимости формирования комплекса взаимосвязанных моделей, описательные характеристики которого должны удовлетворять всем запросам наглядного моделирования.

Первая попытка систематизации учебного оборудования и ее обоснование с точки зрения специфики химической науки и дидактического принципа наглядности обучения была осуществлена А. А. Грабецким и К. Я. Парменовым в книге «Учебное оборудование по химии». Авторы делают вывод о том, что наглядные пособия должны применяться в процессе обучения продуманно, в определенной системе, что они ценны как важное дидактическое средство, помогающее достижению учебно-воспитательных задач.

Однако традиционно используемые модели не являются достаточными для формирования комплекса моделей для обучения. Выборочность моделируемых с их помощью свойств, взаимная несовместимость моделей и отсутствие между ними структурно-логических связей создает препятствия обучению и усложняет процесс усвоения информации. Следует дополнить список рекомендуемых моделей такими современными моделями, которые позволили бы связать воедино исторические модели атома, отражающие собой развитие знаний об атоме (Демокрита, Томсона, Резерфорда), модели, ставшие уже традиционными при изучении химии (шаростержневые, Стюарта-Бриглеба, или Полинга), модели, используемые в вычислительных научных методах (метод М.О.). Необходимо создание иерархичной системы моделей, в рамках которой могли бы быть построены различные модели и объяснены особенности строения атома, иллюстрируя в зависимости от необходимости определенные моделируемые стороны.

Из-за сложности изложения основ квантовой химии в учебниках для восьмых и девятых классов не даётся необходимого разъяснения причин размещения электронов вокруг ядер, не рассматривается возможность определения числа электронов на энергетическом слое. Это затрудняет формирование представлений об электронном строении атомов, молекул, кристаллических тел. А это относится к основным задачам изучения курса химии, начиная с восьмого класса общеобразовательной школы.

Проблемы моделей и моделирования остаются актуальными при изучении периодического закона и периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: необходимо проводить демонстрацию моделей устойчивых электронных оболочек, которые определяют вид таблицы химических элементов. При изучении химических связей также необходимы простые образы взаимодействия атомов с образованием общей молекулярной оболочки. Такое явление должно сопровождаться наглядным образом, а не только символьным обозначением.

Необходимость в наглядных моделях столь велика, что в опыте школ изготавливают множество наглядных моделей для отображения электронных формул. Для демонстрации смещения электронов от одного атома к другому используются различные подходы: магнитная доска с изображением точки (электрона); коробочки с разноцветными фишками, обозначающими электроны, и кругами, обозначающими атомы различных веществ и ионов; набор из цветных пластмассовых фигур, изображающих различные виды электронных облаков, полусфер, обозначающих атомы или ионы на магнитной основе. Вышеперечисленные и подобные им наглядные пособия эквивалентны рисованию электронных схем на доске. Отличие в том, что модели, оставаясь знаковыми, приобретают некоторые черты материальности - становятся осязаемыми и динамичными, но от этого их информационная ёмкость не повышается.

Актуальной проблемой является создание новых учебных моделей, аналогичных научным и обладающих дидактическими свойствами. Этой проблеме методисты уделяют большое внимание на всём протяжении совершенствования научных моделей. А. И. Шпак предлагал в восьмом классе в виде первой модели использовать электрон, рассматривая его расположение в пространстве, форму электронного облака [135]. С. Н. Дроздов рекомендовал для этой цели использовать модели, изготовленные из мягкой медной или алюминиевой проволоки [40].

В.С. Полосин для изложения вопроса о направленности электронных облаков в пространстве использовал модели из мячей и надувных шаров, а также разборные модели s- и p- орбиталей, выполненные из проволоки, окрашенной в различные цвета. По результатам работы со школьниками им сделан вывод, что при изучении явлений микромира нельзя ограничиваться только одним видом наглядных пособий, необходимо применять комплекс различных моделей и других средств наглядности [88].

Ю. И. Булавин предлагал использовать механические и электрические устройства для приведения во вращение деталей, воспроизводящих различные формы электронных облаков [12].

С. С. Бердоносов, констатируя, что подход к объяснению строения даже простейших молекул (CH4, NH3, H2O и др.), который традиционно используют в средней школе, мало нагляден и весьма сложен, основан на целом ряде искусственных допущений, аргументированно предлагает использовать модели Р. Гиллеспи, которые весьма просты и позволяют объяснять строение не только молекул с простыми связями, но и веществ значительно более сложного состава, образующих двойные и тройные связи [8, с. 16].

Обучающие модели, как и исследовательские, должны быть информативными, то есть их использование должно создавать образ, насыщенный информацией, необходимой и достаточной для формирования понятия о моделируемом объекте. В то же время информативная (научная) насыщенность обучающих моделей не должна конфликтовать с их приспособленностью к специфике учебного процесса. В отличие от исследовательских обучающие модели одного объекта или явления не должны входить в противоречие с мировыми закономерностями и должны быть совместимыми между собой. Под совместимостью понимается такое взаимоотношение моделей, при котором имеется возможность замены одной модели другою без ущерба для общей научной картины изучаемого явления. Использование совместимой модели вместо рекомендованной должно приводить не к противоречиям, а либо к усложнению способа объяснения, либо, в крайнем случае, к потере моделируемой стороны объекта.

В целом появление различных моделей объясняется разным уровнем сложности моделируемых явлений и различными областями их применения. Поэтому границы применения различных моделей обязательно должны пересекаться. Обязательно должна быть область пересечения, в которой возможно применение как минимум двух моделей. В идеальном случае любая сложная модель должна быть совместимой с любой более простой моделью, отличаясь лишь диапазоном использования. Иначе процесс обучения и усвоения знаний о реальном объекте или явлении рискует перейти в область изучения особенностей самих моделей и их взаимоотношений в различных условиях. Совместимые модели, отличающиеся информационной ёмкостью, могут быть объединены в систему обучающих моделей, или образовать комплекс обучающих моделей, использование которого позволит избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания.

Проблема исследования заключается в противоречии между необходимостью информирования учащихся в соответствии с уровнем современного развития науки и малой информационной ёмкостью традиционных дидактических средств - моделей атомов и молекул; между потребностью внедрения относительно новой формы обучения - модельного эксперимента и недостаточной наглядностью, а часто и взаимной несовместимостью используемых моделей.

Объектом исследования является процесс изучения строения вещества с использованием моделей атомов и молекул в курсе химии средней школы. Предмет исследования: теория и практика создания и использования комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы.

Цель исследования: определение путей и способов создания и использования комплекса современных моделей атомов и молекул для изучения строения веществ, их физических и химических свойств. Гипотеза исследования: если комплекс учебных моделей атомов и молекул, созданный с учетом современных тенденций моделирования на основе традиционных и новых моделей, будет отвечать требованиям высокой информационной ёмкости, обладать широкими дидактическим возможностями и использоваться для внедрения новой формы обучения - модельного эксперимента, то это будет способствовать: формированию у учащихся целостного и осознанного знания о строении вещества; пониманию свойств веществ; углублению и долговременному сохранению знаний; укреплению междисциплинарных связей и созданию единой научной картины мира. Задачи исследования

1.Провести анализ содержания курса химии 8-11 классов по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами наглядного моделирования.

2.Сформулировать педагогико-эргономические требования к моделям и сформировать единый комплекс взаимно непротиворечивых научно обоснованных учебных моделей (включающий в себя как традиционно используемые, так и новые кольцегранные модели), обеспечивающий достижение педагогических целей наиболее эффективными способами.

3. Разработать методические приёмы использования комплекса учебных моделей, включая кольцегранные, проверить возможность проведения с их помощью модельных экспериментов, оценить педагогическую эффективность его использования в школьной практике. Методологической основой исследования являются фундаментальные исследования в области дидактики, психологии, теории создания и использования различных видов средств обучения и их комплексов (А.А. Грабецкий, Л.С. Зазнобина, А.А. Макареня, Е.Е. Минченков, Т.С. Назарова, С.Г. Шаповаленко), методики обучения химии (О.С. Зайцев, Н.Е. Кузнецова, Л.А. Цветков, Г.М. Чернобельская, И.Н. Чертков), психолого-педагогические и эргономические теории (В.В. Давыдов, В.П. Зинченко, В.М. Мунипов), результаты анализа научно-технических достижений в области создания моделей элементарных частиц, атомов и их химических соединений. Методы исследования

*Анализ педагогической, методической, химической, психолого-педагогической литературы по вопросам теории познания и управления процессом усвоения знаний, проектирования и создания средств обучения по проблемам строения вещества, создания и использования моделей при изучении структуры вещества.

*Наблюдение и обобщение педагогического опыта школьных занятий, опыта передовых учителей и методистов, педагогических инноваций, а также опыта внешкольной кружковой работы учащихся.

*Экспериментальная проверка сравнительной педагогической эффективности влияния отдельных моделей и комплекса в целом на качество обучения.

Этапы исследования

На первом этапе (1996-1998 гг.) определены проблемы и трудности, с которыми сталкиваются учителя и ученики при изучении строения вещества в курсе химии средней школы, связанные со сложным строением атома и насущной необходимостью знания закономерностей его строения. Определён способ решения проблем усвоения учебного материала и создания условий повышения качества знания путём с помощью комплекса моделей, отличающегося взаимосвязанностью всех компонентов и новыми дидактическими возможностями.

На втором этапе (1999-2001 гг.) рассмотрены тенденции современного моделирования, педагогико-эргономические требования, предъявляемые к моделям, предложен комплекс учебных моделей, включающий новые кольцегранные модели, и рассмотрены дидактические возможности комплекса.

На третьем этапе (2002-2003 гг.) определены приёмы и способы использования комплекса моделей для изучения строения вещества, составлены методические рекомендации и проверена педагогическая эффективность его использования.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования

*Разработана концепция создания и использования комплекса учебных моделей атомов и молекул для изучения строения вещества, включающая основные и специфические педагогико-эргономические требования, предъявляемые к используемым моделям с учётом современных тенденций моделирования.

*Предложена серия новых учебных моделей, представляющих собой необходимые компоненты для создания комплекса средств наглядного моделирования, отвечающих современным педагогико-эргономическим требованиям.

*Разработаны методические приёмы использования комплекса моделей, включая кольцегранные, для обучения химии в средней школе, обеспечивающие эффективность усвоения знаний учащимися.

Практическая значимость результатов исследования

*Сформирован комплекс учебных моделей атомов и молекул, включающий новые кольцегранные модели.

*Разработаны и освоены производством наборы кольцегранных моделей и созданы компьютерные графические программы для ознакомления с кольцегранниками.

*Подготовлена к внедрению в школу серия таблиц по теме «Строение вещества», разработанная на базе комплекса учебных моделей атомов и молекул с включением кольцегранных.

*Составлены методические рекомендации по использованию комплекса учебных моделей атомов и молекул в обучении.

*Проверена возможность использования новых моделей в обучении в виде компьютерно-графических программ обеспечивающих и контролирующих эффективность усвоения знаний учащимися при изучении вопросов строения вещества.

Глава 1. Анализ содержания курса химии 8-11 класса по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами наглядного моделирования

1.1 Задачи и особенности изучения строения вещества в школьном курсе химии

Исследуя проблему соотношения основ науки и учебного предмета, С. Г. Шаповаленко выдвинул концептуальные идеи отбора содержания и построения учебного предмета [133]. Структурирование курса опирается на логику науки. Как отмечал Л. А. Цветков, школьный учебный предмет - не микроскопия вузовского курса, а дидактически переработанная система знаний и умений, отобранных из области науки [124, с. 17]. Поэтому для общеобразовательной школы из всей совокупности химических знаний можно отобрать научные факты, теории, наиболее общие и фундаментальные, усвоение которых позволяет понять роль химии в познании мира, развитии материального производства и открывает путь к более углубленному изучению любой химической дисциплины.

Основное содержание органической и неорганической химии составляют две концептуальные системы знаний: 1) учение о веществах, их составе и строении, о зависимости свойств веществ от состава и строения, позволяющее понять окружающий вещественный мир и проектировать на основе этих знаний построение новых нужных веществ и материалов; 2) учение о химических процессах, их закономерностях, позволяющее понять химические явления в природе и осуществлять химические реакции в целях практического получения мысленно конструируемых веществ и материалов. Эти учения должны, очевидно, составить костяк конструируемого учебного предмета [124, с. 19].

В современной общеобразовательной школе осознанное понимание химических процессов невозможно без глубокого изучения строения атомов, молекул, кристаллических структур тел и природы химической связи. Курс химии средней школы строится на основе атомно-молекулярной теории, закона Авогадро, законов постоянства состава и сохранения массы вещества, периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, теории строения веществ.

Формирование понятий о строении вещества относится к одной из наиболее важных задач в методике обучения химии. Понятие - средство мысленного воспроизведения какого-либо предмета как целостной системы [35]. Иметь понятие о предмете означает владеть общим способом мысленного построения этого предмета. Понятие - обобщенная форма отражения в мышлении предметов и явлений действительности и связей между ними посредством фиксации общих и специфических существенных признаков и отношений. Процесс формирования систем химических понятий в обучении диалектичен по своей природе, поскольку отражает генезис, динамику и противоречия в развитии этой формы мышления [58].

Раскрывая особенности строения, теория строения веществ становится научной основой, методом познания природы веществ, их превращений. Пронизывая весь школьный курс химии, эта теория обеспечивает систематичность его изложения, а усвоение знаний делает более глубоким и осознанным. Знание строения атомов и периодического закона даёт возможность сформировать систему понятий о химической связи, степени окисления и электроотрицательности элементов.

Осознанному усвоению понятий об электронном строении атомов способствует также элементарное представление о спине. Использование его одновременно с изображением распределения электронов по электронным слоям способствует формированию понятий о строении многоэлектронных атомов, периодах и группах элементов, химической связи, степени окисления [79].

Из-за сложности изложения основ квантовой химии в учебниках для восьмых и девятых классов не даётся необходимого разъяснения причин и закономерностей размещения электронов вокруг ядер, не рассматривается возможность самостоятельного определения числа электронов на энергетическом слое [135]. Это затрудняет формирование устойчивых представлений об электронном строении атомов, молекул, кристаллических тел. А это относится к основным задачам изучения курса химии, начиная с восьмого класса общеобразовательной школы. Кратко они сводятся к следующему:

-изучить периодический закон, обеспечивающий понимание первоначальной классификации веществ и создающий базу для восприятия строения вещества;

-развить представления учащихся, полученные на уроках по физике о структурных элементах атомов, молекул, макроскопических тел;

-показать особую роль электромагнитных взаимодействий в условиях микромира, обеспечивающую понимание химических связей в веществах;

-дать современные представления о строении атомов, молекул и кристаллических структур твёрдых веществ;

-сформировать образные представления о строении атомов, молекул и кристаллических структур твёрдых веществ;

-показать все существенные признаки различных систем частиц, составляющих структуру и пространственное расположение частиц в веществе, а также силы их взаимодействия;

- обеспечить экспериментальное объяснение изучаемых в школе физико-химических свойств веществ на основе их строения [135].

Характеризуя процесс развития химической науки, академик Н. Н. Семенов пришел к выводу, что «химическое превращение, химическая реакция есть главный предмет химии». Однако для первоначального изучения химии курс, построенный на логике изучения химических процессов, мало пригоден. В какой бы связи та или иная химическая реакция не рассматривалась, чтобы понять ее сущность надо иметь представление о строении и свойствах исходных веществ и веществ, образующихся в ходе реакции. В основе формируемых знаний должно лежать понимание, отражение естественных взаимосвязей, существующих в природе. Что касается мира веществ, их взаимосвязь раскрывается через систему химических элементов - периодическую систему. Изучение периодического закона и периодической системы предполагает знание валентности элементов и важнейших классов неорганических соединений [124, с. 20].

Традиционно в методике обучения химии особое внимание уделяется валентности. Как отмечается в [78, с.27], формирование понятия «валентность» осуществляют на примерах водородных соединений неметаллов. За основу берется тот факт, что один атом водорода никогда не присоединяет более одного атома. Свойство атомов присоединять определённое число других атомов называют валентностью и выражают её числом, сравнивая с валентностью водорода, взятой за единицу. Поэтому кислород в воде H2O двухвалентен, азот в аммиаке NH3 трехвалентен, углерод в метане CH4 четырехвалентен. При записи структурных формул черточками обозначают валентности атомов. Число черточек указывает на валентность атома в соединении. Используют также графические формулы. Отличие структурных от графических формул в том, что структурные формулы используют для изображения связей, как например, в H-Cl или H-O-H. А вот графическое изображение соединения Na-Cl не является структурной формулой, так как между ионами связи нет [123].

Объяснение учащимся закономерности заполнения электронами электронных слоёв атомов элементов основано на единстве противоположностей, выражающееся в равном количестве протонов и электронов в нейтральном атоме. Также рассматривается преемственность атомной структуры соседних по периоду элементов [78, с.112]. Учащиеся сопоставляют количественные изменения в строении атомов элементов от Li до F с качественными и делают вывод о том, что количественные изменения (число электронов, образующих внешний электронный слой) переходят в качественные (характер свойств простого вещества и соединений, образованных элементами). Заряды ядер атомов (количественные изменения) возрастают монотонно, линейно. От Li до F металличность (качественная характеристика) постепенно сменяется неметалличностью, потом следуют резкие скачки: смена типичного неметалла - галогена фтора (F) инертным элементом неоном (Ne), смена инертного элемента типичным щелочным металлом Na. Количественные изменения переходят в качественные скачкообразно. Скачки объясняются в первом случае (F - Ne) завершением одного электронного слоя, во втором случае (Ne - Na) - появлением нового электронного слоя. Ознакомление с электронными конфигурациями атомов элементов первых трёх периодов должно способствовать углублению знаний о строении электронных оболочек атомов и пониманию закономерностей изменения свойств элементов в группах и периодах периодической системы [78, с.114].

Учение о химической связи - это одна из центральных проблем химии, решение которой прошло ряд этапов в своём развитии от представлений о наличии у атомов «петелек» и «крючочков», с помощью которых они соединяются, до знаний об электростатической природе химической связи. Учащимся рассказывают о том, что на основе экспериментальных сведений ученые создают модели, отражающие строение веществ, и высказывают предположения (гипотезы) о механизме образования химических связей. При изучении механизма образования химических связей используют составление моделей. Должна иметь место модель, демонстрирующая взаимодействие электронов между собой. Учащимся объясняют, что объединяться могут лишь два электрона; при этом энергия таких спаренных электронов характеризуется меньшим значением, чем сумма их энергий до объединения в одно облако. Спаривание электронов - процесс энергетически выгодный, при котором происходит выделение энергии. Эта энергия характеризует прочность химической связи [78, с.123].

Учебный предмет не может ограничиваться информационной функцией, в нем должна быть обеспечена деятельность учащихся по выполнению разного рода упражнений, применению знаний в различных ситуациях, иначе не будут достигаться развивающие цели обучения. Важным условием успешного формирования знаний являются самостоятельные работы учащихся. Это способствует развитию понятий и формированию методологических знаний. Так, например, применение полученных знаний об электронном строении атомов позволяет лучше усвоить особенности заполнения электронами электронных слоев и более глубоко разобраться в причине существования больших периодов.

При изучении периодической системы могут быть самостоятельные работы различного характера. В процессе поиска ответов на задания учащиеся выявляют связи между местом элемента в периодической системе и особенностями строения атомов, между длиной периода и числом электронов, застраивающих электронные слои атомов.

В дидактическом плане сущность самостоятельной деятельности заключается не в том, что ученик работает без посторонней помощи учителя, а в том, что цель деятельности ученика несёт в себе одновременно и функцию управления этой деятельностью [85]. Интерес формируется в деятельности, и только в деятельности можно вырастить компетентного, квалифицированного специалиста [69].

Любые самостоятельные наблюдения должны быть целенаправленны. Целенаправленное наблюдение включает:

1.Цель

2.Оборудование

3.Способ употребления

4.Основные шаги, этапы наблюдения

5.Выводы

6.Оформление результатов

Для облегчения восприятия информации ее разделяют на части, или фрагменты. Поэтапное усвоение информации должно быть логически взаимосвязано. Разделение явления на компоненты, их поэтапное изучение, требует создания последовательного ряда взаимосвязанных образов -моделей. Дальнейшая обработка полученной информации с целью формирования общего целостного знания должны опираться на средства наглядности и на ранее полученные знания. В зависимости от подготовки учащихся, перед ними будут поставлены вопросы, требующие ответа на основе активного применения знаний в той или иной степени самостоятельных обобщений [125].

Применение самостоятельной работы учащихся с использованием таблиц со справочными сведениями о величинах атомных радиусов и об энергии ионизации при рассмотрении материала о физической сущности периодического закона и периодической системы позволяет более глубоко познать причину совпадения периодического изменения электронного строения атомов и периодического изменения свойств элементов.

При формировании понятия о скорости химических реакций и химического равновесия положительный эффект даёт демонстрация средств наглядности в следующей последовательности: химический эксперимент - модели - таблицы. В процессе усвоения наиболее трудных вопросов темы особое значение играют модели [89].

Процесс познания сопровождается моделированием явлений, объектов, процессов. Роль моделирования особенно велика, если признать, что отражение внешнего мира сознанием и формирование представлений о нем само по себе уже есть модель. Поэтому сумму наших субъективных представлений о мире можно назвать мысленной моделью мира. Модель создает язык общения, который, опредмечивая содержание объекта исследования, позволяет выявить его сущность [36].

Значение моделей и частоту использования моделей в процессе обучения можно оценить, проведя анализ содержания курса химии 8-11 классов. При изучении химических связей также необходимы простые образы взаимодействия атомов с образованием общей молекулярной оболочки. Каждое явление - захват электрона ионом или атомом, образование связей должно сопровождаться наглядным образом, а не только символьным обозначением смещения электронной плотности или рисованием стрелочек в квадратиках, обозначающих «распаривание электронных пар».

1.2 Моделирование как метод научного исследования и его роль при формировании целостного знания о строении вещества

Моделирование - это метод познания интересующих нас качеств объекта через модели. Это действия с моделями, позволяющие исследовать отдельные, интересующие нас качества, стороны или свойства объекта или прототипа [34].

Под моделью понимают отображение фактов, вещей и отношений определенной области знаний в виде более простой, более наглядной материальной структуры этой или другой области [44].

Штофф В. А. [138] определял модель как мысленно представляемую или материально реализованную систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об объекте.

Моделью мы будем называть любую систему, мысленно представляемую или реально существующую, которая находится в определенных отношениях к другой системе (называемой обычно оригиналом, объектом или натурой) так, что при этом выполняются следующие условия:

1.Между моделью и оригиналом имеется отношение сходства, форма которого явно выражена и точно зафиксирована (условие отражения или уточненной аналогии).

2.Модель в процессах научного познания является заместителем изучаемого объекта (условие репрезентации).

3.Изучение модели позволяет получать информацию (сведения) об оригинале (условие экстраполяции).

Возможность обоснованных экстраполяций превращает моделирование в научный метод, сознательно (целенаправленно) применяемый в исследовании. Метод моделирования - это особая форма научного исследования [137].

Модель - это своеобразный "сплав" наглядности и понятия [33].

Модели определяются как учебно-наглядные изобразительные пособия, искусственно воспроизводящие натуральные объекты и передающие их структуру, существенные свойства, связи и отношения. При этом допускается условность в передаче свойств оригинала (объектов макро- и микромира): уменьшение или увеличение размера, схематизация в передаче строения объектов, условность окраски и т.д. [73].

По характеру взаимодействия сторон оригинала модели могут быть разделены на структурные, показывающие внутреннюю организацию объекта, и функциональные, демонстрирующие принцип функционирования моделируемого объекта. По способу применения модели делят на демонстрационные и раздаточные.

По способу замены оригинала модели делятся на материальные и идеальные. Материальные (предметные) модели делятся на объемные и плоские (схематические). Идеальные или теоретические модели - это мысленные, знаковые или символические модели. Мысленные модели фиксируются с помощью языка, знаковых средств, чертежей, рисунков и других

материальных средств выражения. Но от этого мысленные модели не становятся материальными, так как все операции над ними, все преобразования в них и изменения осуществляются субъектом. Необходимость наглядных моделей столь велика, что некоторые учителя изготавливают наглядные модели для отображения электронных формул. Смещение электронов от одного атома к другому изображается перемещением по магнитной доске кружочка с изображением точки (электрона) от значка одного атома к другому [107]. С этими же целями использовался фланелеграф [87].

Аналогичные самодельные модели предлагались и без привлечения магнитной доски в виде коробочки с разноцветными фишками, обозначающими электроны, кругами, окрашенными в различные цвета, обозначающими атомы различных веществ и ионов, а также вспомогательные элементы - полоски бумаги с нанесенными на них знаками «+», «=» и стрелки [66].

Для динамического моделирования различных видов химической связи и демонстрации электронного строения атомов химических элементов малых периодов предлагался набор из цветных пластмассовых фигур, изображающих различные виды электронных облаков, полусфер, обозначающих атомы, или ионы, и стерженьков на магнитной основе. Передвигая и закрепляя фигуры на магнитной доске, демонстрировалась динамика образования химических связей и электронное строение атомов [66].

Вышеперечисленные и подобные им наглядные пособия эквивалентны рисованию электронных схем на доске. Изменения заключаются в том, что модели, оставаясь знаковыми, приобретают некоторые черты материальности - становятся осязаемыми и динамичными. При этом дидактические возможности моделей повышаются незначительно, так как не изменяется их информационная ёмкость.

Модель вызывает ассоциации с уже известным материалом, но объясняет новый или более широкий круг явлений. Поскольку метод аналогий - один из основных, элементов познания, то могут быть применены "модели - аналогии", позволяющие провести аналогии с ранее полученными знаниями. Модели естественно являются схематизацией реального процесса или объекта. Особенное значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. Часто они необходимы и в тех случаях, когда изучается процесс одного пространственного и временного масштаба с субъектом обучения (учеником). Например, в разделе механики изучение сложного движения (полет вращающегося мяча в воздухе) требует для рассмотрения нескольких моделей: - модели вращающейся полой сферы с массой, распределенной по поверхности, модели поступательно движущегося точечного объекта, и моделей газодинамического вихря различных уровней сложности в зависимости от необходимой степени точности решения задачи. Все эти типы моделей являются абстрактными идеальными моделями, лишь приблизительно описывающими реальный процесс. Несмотря на то, что процесс доступен для непосредственного наблюдения и может быть повторен в реальном временном и пространственном масштабе, модели этого процесса оказываются сложными и нуждаются в четких методических рекомендациях, что обеспечивает их взаимосвязь и отсутствие между ними противоречий.

Часто одного принципа суперпозиции, то есть простого наложения одного на другое различных компонентов движения, характеризующихся различными моделями, оказывается недостаточно. Поэтому проблемы моделирования существуют даже для тех явлений, которые можно показать живьем, или "в полный рост".

При моделировании процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов, (очень быстрых или медленных, а также очень больших или очень малых размеров), проблема подбора модели еще более усложняется. Модель оказывается единственным объектом, который является носителем информации о процессе или явлении. В такой ситуации большое значение отводится модельному эксперименту. Модельный эксперимент - это особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования [137]. К модельному эксперименту, в котором вместо самого объекта изучается замещающая его модель, прибегают в случаях, когда объект исследования недоступен наглядному созерцанию, как объект микромира. Поэтому проблема моделирования особенно актуальна в естественных науках. В физике и химии -это проблема моделирования микрообъектов, то есть атомов и молекул. Современная энтроскопия позволяет различать атомы, но даже с использованием лучшего микроскопа атом или мелкая молекула видны как точки. Косвенные исследования дают много информации. Однако объединить все результаты в систему, используя какую-либо одну модель, не удается.

Используется много типов моделей. Условно их можно разделить на два класса: класс материальных (объёмных геометрических моделей) и класс мысленных (идеальных моделей), к которым можно отнести словесные и математические описания. Для описания реального процесса требуется минимум по одной модели из каждого класса. В идеальном случае из первого класса должно быть несколько моделей различных типов, воздействующих на различные органы чувств. Такое требование наглядности восходит еще к временам Яна Амоса Коменского и провозглашено им в «Великой дидактике»: «Пусть будет для учащихся золотым правилом: все, что только можно представлять для восприятия чувствами, а именно: видимое для восприятия зрением, слышимое - слухом, подлежащее вкусу - вкусом, доступное осязанию - осязанием. Если же какие-либо предметы сразу можно воспринять несколькими чувствами, пусть они сразу несколькими чувствами преподносятся».

Многолетний опыт и специальные психолого-педагогические исследования показали, что эффективность обучения и воспитания зависит от степени привлечения к восприятию всех органов чувств человека. Чем более разнообразно чувственное восприятие материала, тем более прочно он усваивается. Эта закономерность уже давно нашла своё выражение в дидактическом принципе наглядности, в обоснование которого внесли существенный вклад Я. А. Коменский, И. Г. Песталоцци, К. Д. Ушинский, а в наше время Л. В. Занков [83, с. 56].

На основе синтеза ощущений должно формироваться представление об изучаемом предмете или явлении. К осуществлению такой идеальной ситуации никто пока и не стремится. Тем более, что в соответствии с современной теорией нейро-лингвистического программирования люди различаются по способам получения, обработки и хранения информации. Зрение, слух и кинестетические чувства - это три основных входных канала, формирующих соответственно три основные системы восприятия - визуальную (зрительную), аудиальную (слуховую) и кинестетическую (моторную), через которые можно получить сведения об окружающей действительности. Остальные сенсорные каналы - обоняние и вкус, по-видимому, представляют собой редко применяемые способы получения информации о мире. При создании внутреннего образа свертывание содержания осуществляется благодаря информации, поступающей по всем каналам восприятия, что положительно влияет на качество усвоения материала. «Пропускная способность» органов чувств различна. Так, например, зрительные рецепторы воспринимают поток информации плотностью около 3 млн. бит/с., информация, воспринимаемая человеческим ухом, оценивается в 5-20 тыс. бит/с. То есть пропускная способность визуального канала в сотни раз больше, чем у аудиального. Информация воспринимается также осязанием (200 тыс. бит/с.), обонянием (10-100 бит/с.), вкусом (около 10 бит/с.). Источников информации должно быть несколько, иными словами, эффективное преподавание должно быть полимодальным, и тогда каждый обучаемый сможет воспользоваться учебной информацией [99].

Наибольший объем информации человек получает с помощью зрения, существенно меньше осязанием и ещё меньше с помощью слуха. Поэтому в первую очередь должны быть представлены «очевидные» модели, предпочтительнее, чтобы они были также осязаемые, то есть материальные. В этом случае наглядность моделей выше. Здесь под наглядностью модели понимается чувственная воспринимаемость того объекта, который выступает в качестве модели [71]. К признакам наглядности могут быть отнесены: доступность восприятия (для понимания); достоверность формируемых образов (через моделирование или аутентичность); визуализация основных понятий (как возможность показа, демонстрации, презентации объекта или явления, его отдельных сторон, признаков). Процесс визуализации информации позволяет свертывать содержание, фиксированное в разных формах (визуальной, аудиальной, кинестетической), в ёмкий, наглядный образ, который может быть развернут в каждый момент и использован в качестве основы для адекватных действий, мыслительных или практических [99].

Наиболее эффективной для дидактических целей является опора на различные анализаторы коры головного мозга, то есть комплексное использование различных видов и форм наглядности. Наглядность в обучении есть отображение явлений реального мира в виде дидактического образа, формируемого (или моделируемого) с помощью средств обучения [73].

Моделей одного и того же явления может быть несколько, и они могут быть разного уровня сложности. Они могут моделировать одно или несколько свойств, признаков. Обучающие модели должны соответствовать особенностям содержания и специфике восприятия учащихся, то есть должны выполнять дидактические функции. Обучающие модели, как и исследовательские должны быть информативными, то есть их использование должно создавать образ, насыщенный информацией, необходимой и достаточной для формирования понятия о моделируемом объекте. В то же время информативная (научная) насыщенность обучающих моделей не должна конфликтовать с их приспособленностью к специфике учебного процесса. Очевидно, что обучающие модели принципиально отличаются от исследовательских. Исследовательские модели могут и не быть совместимыми между собой. Это объясняется тем, что открытия часто совершаются эвристическим методом и им могут сопутствовать иррациональные модели, не имеющие объяснения способа их образования. Они могут быть получены в момент "просветления", "божественного откровения" или "интуитивно". А выявление внутренних взаимосвязей между различными моделями требует иногда долгой и сложной работы.

В отличие от исследовательских обучающие модели одного объекта или явления не должны входить в противоречие с мировыми закономерностями и должны быть совместимыми между собой. Под совместимостью понимается такое взаимоотношение моделей, при котором имеется возможность замены одной модели другою без ущерба для общей научной картины изучаемого явления. Использование совместимой модели, вместо рекомендованной приводит не к противоречиям, а либо к усложнению способа объяснения, либо, в крайнем случае, к потере моделируемой стороны объекта. Совместимые модели при их взаимозаменяемости являются скорее комплементарными, чем тождественными.

В целом появление различных моделей объясняется разным уровнем сложности моделируемых явлений и различными областями их применения. Поэтому границы применения различных моделей обязательно должны пересекаться. То есть нельзя использовать одну модель, а затем сразу другую, несовместимую с первой. Обязательно должна быть область пересечения, в которой возможно применение как минимум двух моделей. В идеальном случае любая сложная модель должна быть совместимой с любой более простой моделью, отличаясь лишь диапазоном использования. Иначе процесс обучения и усвоения знаний о реальном объекте или явлении рискует перейти в область изучения особенностей самих моделей и их взаимоотношений в различных условиях.

Иллюстрацией данного положения может служить пример того, что произошло в физике, когда квантовая физика, придя на смену классической, стала работать с моделями чисто математическими, мысленными, не подкрепленными материальными, наглядными моделями. «Потеря наглядности и трудность сочетания в новом синтезе противоположных сторон вновь открытых явлений доводят физиков и философов до отказа от признания реальности самих явлений, а заодно и объективного существования внешнего мира, помимо нашего сознания» - писал академик А. Ф. Иоффе. В итоге в квантовой физике используется величина, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения всего электрона в точке. Это высокая степень абстракции. Точкой можно что - либо обозначать, не рассматривая внутреннюю структуру объекта. Говорить о физическом смысле и объяснении проявляемых свойств с помощью такой модели не представляется возможным. Точка - это не физическая модель, - это лишь способ статистического или математического описания некоторого неопределенного объекта, каким и остается на сегодняшний день электрон в отсутствии физической и геометрической модели. Из-за этого во второй половине 20 века появилось большое число авторов, специализирующихся в разных областях наук, которые утверждают, что физика как наука развивается в тупиковом направлении, переходя в область абстрактного искусства, доступного не всем. На вопрос, что такое электрон, часто дается ответ, что это не реальный объект, а система дифференциальных уравнений. Достижения квантовой механики огромны. Матричное исчисление волновых уравнений позволяет рассчитывать спектры и их тонкое расщепление. Эти расчеты совпадают с экспериментом. Для этих расчетов специалистам не требуются ни физическая, ни геометрическая модели. Но это не значит, что модели не нужны. Квантовая химия представляет собой только правильную расчетную схему, но не дает ответа на типичные вопросы, которыми задается химик. Химические системы настолько сложны, что в будущем придется прибегать к упрощениям и приблизительным методам, лишь предваряющим собственно химическую проблематику в форме моделей. Ни одна сформировавшаяся наука - это относится и к химии - не обходится без использования моделей и идеализаций [101]. Мышление человека на любом этапе его развития, не может не опираться на образы, на те или иные наглядные моменты, которые служат мышлению как бы определенными ориентирами в его движении. Без этих наглядных моментов, полученных в опыте и с помощью моделей, наше подсознание, какой бы степени абстракции оно не достигло, не могло бы двигаться вперед [71].

Модели необходимы для формирования целостного знания о строении вещества. Поэтому постоянно актуальной проблемой является создание учебных моделей, соответствующих современным научным представлениям, и обладающих дидактическими свойствами. Этой проблемой методисты занимаются постоянно на протяжении совершенствования научных моделей. Например, А. И. Шпак [135] предлагал в восьмом классе в виде первой модели использовать электрон, рассматривая его расположение в пространстве, форму электронного облака. Предлагалось 12 моделей атомов в невозбужденном состоянии, из них - 10 моделей атомов элементов 1 и 2 периодов и две модели элементов 3 периода (натрия и хлора). Они должны обеспечить весь курс школьной химии особым видом эксперимента (воображаемого) и особым видом наглядности, взаимосвязывающих теоретические понятия о структуре атомов с чувственным наблюдением веществ. Эти модели должны ускорять восприятие материала о структуре атомов, позволяя видеть изменение не только электронной конфигурации атомов в периодах и группах, но и изменение радиусов в них. Кроме того, предлагался набор кольцевых магнитов, обеспечивающих показ электромагнитных взаимодействий электронов первых шести элементов. Предлагались к использованию объёмные модели молекул следующих веществ: водорода, фтора, кислорода, азота, фтористого водорода, хлористого водорода, воды, аммиака, метана и хлористого натрия (в парах). По мнению автора, этих моделей достаточно, чтобы дать наглядные представления о ковалентных и ионных связях в химических соединениях. Разработаны также были объёмные модели кристаллических решёток алмаза, йода, поваренной соли и металлического натрия. Они отражают примерные размеры частиц по отношению друг к другу, расстояния между ними, контакт в молекулах, форму молекул и атомов. Перечисленные выше модели призваны создать неразрывную цепь моделей атомов, молекул, кристаллических решёток, начиная с модели одного электрона [135]. Логическим завершением такой работы было бы создание моделей этих же объектов из моделей электронов, поскольку именно электроны определяют формы молекул и кристаллов. Но такой модели пока не представлено из-за сложности расположения электронного облака в поле действия ядер атомов. Предложен был лишь набор из кольцевых магнитов, обеспечивающих показ электромагнитных взаимодействий электронов в первых шести элементах, что позволяет осуществлять моделирование атомов из электронов только до атома углерода. В свободном атоме углерода расположение электронов - колец возможно в параллельных плоскостях в виде стопки колец, в центре которой находится ядро. При этом в каждой симметрично расположенной относительно ядра паре колец - электронов, вектора спин антипараллельны.

В.С. Полосин для изложения вопроса о направленности электронных облаков в пространстве использовал модели из мячей и надувных шаров, а также разборные модели s- и p- орбиталей, выполненные из проволоки, окрашенной в различные цвета. По результатам работы со школьниками им сделан вывод [88], что при изучении явлений микромира нельзя ограничиваться только одним видом наглядных пособий, необходимо применять комплекс различных моделей и других средств наглядности.