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

В ароматических соединениях типа бензола а- связи также образуются по вакантным направлениям. А перпендикулярные им п- связи демонстрируются расположением колец, изображающих электроны углерода, в одной плоскости. Так называемое их "перекрывание" заключается в контакте соприкасающихся колец, моделирующих электроны. Направление образования связи перпендикулярно плоскости, в которой находится кольцо - электрон. Поэтому в моделях направления образования связей а- и п- также можно считать перпендикулярными. Это не противоречит, а иллюстрирует традиционное определение «перекрывания электронных облаков атомных орбиталей двух атомов: а - «лобовое» и п - «боковое». Электронное строение очень многих (но не всех, конечно) молекул можно описать в рамках представлений о ковалентной связи, осуществляемой общей для двух атомов парой электронов. Как отмечал В. И. Дайнеко [37, с. 38], «пользуясь этим представлением, нельзя забывать, что оно является приближением и применимо далеко не всегда. Например, с его помощью нельзя описать строение таких несложных молекул, как SF4, IF3. Здесь и в других подобных случаях надо пользоваться более глубокими квантово-химическими методами». Кольцегранные модели и в этом случае могут упрощенно заменить сложные для преподавания квантово-химические методы. Модели соединений SF4 и IF3 изготавливаются по общему вышеизложенному алгоритму, изложенному выше. Отличительной чертой этих соединений будет использование в качестве общей молекулярной оболочки кольцегранника из десяти колец, а не из восьми как в большинстве случаев. Из десяти колец в соединении SF4 шесть принадлежат атому серы, а четыре являются вакантными местами, по которым образуется ковалентная связь с атомами фтора; аналогично и в IF3 - семь принадлежат атому йода, а три являются вакантными местами, по которым образуется ковалентная связь с атомами фтора.

Также весьма сложным и декларативным является общепринятое объяснение неустойчивости молекулы S2: «Для серы как элемента, расположенного ниже второго периода, (p - p) п- связи энергетически не выгодны и, следовательно, двухатомные молекулы S=S неустойчивы» [112, с. 9]. Использование кольцегранных моделей позволяет упростить изложение, сделав его более наглядным. Сера, являясь гомологом кислорода, отличается наличием внутренней оболочки из восьми электронов. В моделях это изображается кольцегранником из восьми колец в качестве предвнешней оболочки (рисунок в таблице приложения 1). Очевидно, что при попытке изготовления модели молекулы S=S, аналогичной O=O, внутренние кольцегранники (смотри таблица приложения 1) ориентированы таким образом, что вынуждены соприкасаться рёбрами октаэдров (в которые вписаны кольцегранники, а не гранями, в которых расположены кольца). Такое тесное соприкосновение, вызывает электрическое отталкивание, а положение механически неустойчивое вызывает отсутствие магнитного взаимодействия, обеспечивающего прочность химической связи. Таким образом, наличие внутренней оболочки затрудняет образование связи S=S, что может демонстрироваться кольцегранными моделями.

Благодаря расширенным дидактическим возможностям: простота, наглядность, широкий диапазон применения, кольцегранные модели можно вводить в процесс обучения в качестве необходимых моделей, дополняющих традиционные.

2.3 Характеристика комплекта моделей для изучения строения веществ

Исторически сложилась последовательность использования моделей атомов, молекул и составляющих их элементарных частиц, используемая в современной системе обучения. По мере продвижения научного познания и совершенствования науки развиваются, уточняются и обогащаются её понятия [58]. Уже давно наступило время внедрения системного подхода. Системный подход проявляется в системно-структурном и структурно-функциональном анализе понятий и их систем при изучении сложных химических объектов как целостных формирований. Одним из путей интенсификации обучения химии и формирования систем понятий является структурирование понятийного содержания с целью его сжатия, упорядочения и выделения оптимальных вариантов важнейших систем понятий курса [58]. Вместе с понятийной базой системно развиваются и средства обучения, появляются новые модели. Наглядные модели, как существенная составная часть средств обучения, тоже должны быть объединены в систему для использования в качестве необходимого дополнения в комплексе моделей.

Использование новых моделей электронов, атомов и молекул является естественным дополнением уже существующего компонентного состава моделей по химии.

Использование кольцегранных моделей необходимо в VIII - XI классах при изучении тем: "Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Строение атома. Химическая связь. Строение веществ".

Для изготовления и использования новых моделей электронов, атомов и молекул может служить набор "Магеом", «Кольцегранник» или разработанный демонстрационный "Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул". Благодаря размерам собираемых моделей (масштаб увеличения 1 млрд.) набор «Магеом» более подходит для его использования в качестве демонстрационного. Однако, как отмечают педагоги [104], требуются также и раздаточные материалы, применение которых повышает эффективность обучения, облегчает осмысление изучаемого материала. В современных условиях для увеличения доли самостоятельных работ учащихся необходимо создание специализированного набора для изготовления объемных моделей атомов и молекул. Подобный набор разработан в виде раздаточного варианта "Набора для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул". Он является расширенным аналогом набора «Кольцегранник». Для удобства использования его в качестве раздаточного размер моделей уменьшен в два раза, благодаря повышению пластичности трубочек.

Наборы для изготовления кольцегранных моделей универсальны (они позволяют проводить сборку необходимых моделей) и в одностороннем порядке технологически совместимы: раздаточный набор «Кольцегранник» и "Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул" для самостоятельной работы учащихся при изучении базового курса химии в общеобразовательной школе совместимы с демонстрационным набором «Магеом».

Преимуществом набора для изготовления кольцегранных моделей являются его широкие возможности, позволяющие моделировать электронные поверхности молекул. Набор также может использоваться для специализированного практикума при углубленном изучении химии.

Набор обеспечивает быструю и наглядную демонстрацию строения атомов и молекул на уроках и возможность самостоятельного моделирования учащимися на уроке и во внеурочное время при изучении следующих тем:

*изучение элементов 4, 5, 6, 7 групп главной подгруппы периодической системы;

*основные классы неорганических соединений: оксиды, кислоты, основания, соли;

*органические вещества: предельные и непредельные углеводороды, спирты, амины, оксиды.

Набор включает различные детали, позволяющие моделировать электронные оболочки различных атомов и молекул. Деталями набора являются трубочки разных цветов одного диаметра и различной длины, а также соединительные элементы в количестве, необходимом для сборки.

Набор "Магеом" состоит из пластмассовых трубочек четырех цветов трех длин и четырех комплектов соединительных элементов разных видов (см. вкладыш в наборе): главные элементы (для создания кольцегранных фигур), вершины (для сборки вогнутых фигур), вспомогательные элементы и элементы в виде сложных крестов (для сборки совмещенных и взаимопересекающихся фигур). Набор прост в обращении, для работы с ним требуются линейка и ножницы.

Набор «Кольцегранник» состоит из фрагментов трубочек (длина 20 см, диаметр 4 мм) и соединительных деталей, укомплектованных в количестве, необходимом для сборки двух, трёх электронных оболочек атомов, или одной, двух моделей молекул. Также как и в набор «Магеом» в набор «Кольцегранник» не входят детали, специально предназначенные для изображения ядер атомов, образующих молекулы.

Спроектирован "Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул". Этот специализированный набор состоит из трубчатых и соединительных элементов, укомплектованных в количестве, необходимом для проведения любой из необходимых самостоятельных лабораторных и практических работ.

Конструкция комплектующих деталей набора обеспечивает быструю, удобную сборку необходимых моделей. Все комплектующие детали могут быть размещены в одной укладке в соответствующих ложементах.

Гарантийный срок службы набора - не менее 2-х лет. Средний срок службы - не менее 10-ти лет.

Набор снабжен методическими рекомендациями по сборке и использованию моделей молекул.

Хранить наборы можно в лаборантском помещении. При необходимости некоторые сложные в сборке модели хранятся в собранном виде рядом с шаро-стержневыми или вывешиваются в кабинете в качестве наглядных пособий.

1.В соответствии с принципом научности и адаптации научных данных для обучения необходимо ввести в процесс обучения новые модели атомов и молекул, полученные на основе модели электрона в виде гибкого тора (или кольца), имеющего или обозначающего цветом наличие магнитных свойств.

2.Сформулированные педагогико-эргономические требования к моделям, как общие, так и специфические, позволили установить, что предложенная модель электрона в виде тонкого тора, или кольца и обладает новыми дидактическими возможностями, как и получаемые с её помощью кольцегранные модели атомов и молекул. Новые модели отличаются рядом преимуществ: отсутствие внутренних противоречий, удобство использования, совместимость с другими моделями, высокая наглядность, повышенная информативность.

3.Использование модели электрона в виде кольца или тора представляет нам новые дидактические возможности. Сразу несколько моделируемых сторон объекта можно отобразить с помощью этой перспективной модели:

3.1.Изображая элементарную частицу кольцом, мы имеем возможность демонстрации корпускулярно-волнового дуализма. Кольцо, символизирующее волновой процесс циркуляции распределенного заряда по замкнутому контуру, демонстрирует волновую природу частиц, а корпускулярные свойства частиц объясняются ограниченностью этого процесса в пространстве.

3.2.Благодаря наглядности модели, свойства, проявляемые электроном в атоме и описываемые ранее как постулаты Бора и Принцип Паули, становятся настолько очевидными, что не требуют постулирования - достаточно описания и демонстрации. В стационарном состоянии частицы представляются волновыми процессами, ограниченными эквипотенциальной поверхностью, внутри которой движение заряда не приводит к излучению. Излучение происходит только при переходе из одного стационарного состояния в другое, отличающееся другим энергетическим уровнем.

3.3.Модель электрона в виде закольцованной стоячей волны отражает состояние электрона, характеризующееся главным квантовым числом.

3.4.Модель электрона в виде кольца с обвивающей его спиралью, демонстрирует магнитные взаимодействия электронов в атомных оболочках и позволяет обозначить отличие частицы от античастицы.

4.Благодаря широким дидактическим возможностям (простота, наглядность, широкий диапазон применимости, совместимость с общепринятыми понятиями о формах и видах связей) кольцегранные модели можно вводить в процесс обучения в качестве необходимых моделей, дополняющих традиционные. При этом материал, предназначенный для обучения в классах с углубленным изучением химии, может быть рассмотрен и в базовом курсе, или материал, изучаемый в 10-х и 11-х классах, может быть рассмотрен ранее.

5.Определён и дополнен компонентный состав моделей по химии. Предложен специализированный набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул. Дана характеристика комплекта моделей для изучения строения веществ, отражающая необходимость внедрения системного подхода использования моделей в процессе обучения.

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

Важным приёмом обучения является максимальное использование возможностей демонстрации. Не рассказы об устройстве атома, а модельная демонстрация создают эффект реальности объекта изучения - атомов и молекул. Большое значение модельным объяснениям приписывал Штофф В. А. [137, с. 257]: «Модельные объяснения с методологической точки зрения могут рассматриваться как вехи или этапы на пути к достоверному, истинному и теоретически более адекватному объяснению». Как отметил Пидкасистый П. И. [85, с. 85]: «Одно дело описывать что-то, а другое - объяснять... Для описания используются одни способы, а для объяснения другие». Для объяснения необходимы простые и быстро сменяющие друг друга образы изучаемого объекта. Образы, создаваемые материальными моделями и мысленные образы-модели используются совместно, преследуя цель создания единого дидактического образа изучаемого объекта. В качестве материальных могут использоваться различные модели как традиционные (шаростержневые, Стюарта, масштабные), так и новые, кольцегранные.

Анализ, проведенный в главе 1, показал, что для полноценного усвоения учащимися разнообразной информации, связанной со строением атома, недостаточно использования традиционных моделей. При использовании в процессе обучения различных по сложности моделей у учащихся общеобразовательных заведений образуется брешь в знании о строении атома, связанная с дистанцией между малой информационной ёмкостью в области электронного строения традиционно используемых моделей (скелетные, шаро-стержневые, масштабные) и резко возрастающей сложностью использования орбитальных моделей. Образуется разрыв между принятым базовым уровнем обучения классов общеобразовательной школы и существующей необходимостью изучения физики и химии в свете современных научных представлений о строении атома. Таким образом, идейная несовместимость моделей молекулярных орбиталей с более простыми традиционными моделями приводит к необходимости углублённого изучения, что не предусмотрено в некоторых курсах, например, в классах гуманитарного профиля.

Встает проблема приведения содержания в соответствие с принципами не только историчности, но и научности, фундаментальности, адаптивности и технологичности.

С другой стороны, сложность и разрозненность знания, а местами и его противоречивость в части, посвященной устройству атома, является отражением исторического пути развития научных знаний (проходившего вовсе не линейно и не так последовательно, как это излагается в учебниках). С этой особенностью развития научно-технических знаний важно ознакомить учащихся с целью достижения полноценного формирования их мировоззренческой позиции.

Сейчас в школьной программе важнейший вопрос устойчивости электронных оболочек, формирующих вид Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, освещается недостаточно, то есть это делается декларативно, без достаточных доказательств, убеждения на опыте и закрепления в эксперименте. Рассмотрение этого вопроса фактически замалчивается из-за отсутствия простых моделей и ограниченности изобразительных возможностей, позволяющих объяснить доступно, без избыточной сложности особенности, присущие орбитальным моделям. Таким образом, мы видим, что недостатки в содержании обучения являются следствием чрезмерной сложности методов и средств обучения, связанных не только с ограниченностью изобразительных средств, но и с несоответствием используемых моделей современному научному знанию.

Как было рассмотрено в главе 2, во второй половине ХХ века появились новые научные модели, аккумулирующие в себе новое содержание, которое не содержат в себе исторические и ныне используемые в обучении модели. Эти новые модели привносят с собой новые формы и средства обучения, использование которых позволяет откорректировать содержание, вернуть в программу обучения вопросы, которые ранее были сложны для изучения, но являлись необходимыми для формирования информационного горизонта и мировоззрения. Речь о наглядном и практическом изучении таких вопросов, как устойчивость электронных оболочек в атоме, наглядное, а не декларативное освещение таких принципиальных тем химии как Периодический закон и формирование Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, образование электронных поверхностей атомов и химических соединений.

До сих пор в программе обучения остается не освещаемый в должной мере круг вопросов, а именно: конфигурация, состав и свойства электронных оболочек атома. А ведь именно особенности электронного строения атома определяют химические свойства элементов и их соединений, характер взаимодействия и динамику образования связей. До сих пор в обучении используются либо чрезмерно упрощенные модели, не отражающие строения электронных оболочек, либо модели академического уровня сложности (метод молекулярных орбиталей, рассматривающий относительное смещение электронной плотности), которые трудны и сложны для обучения даже в упрощенном варианте. Нет никакой связи между моделью электрона в виде точки, двигающейся в атоме, и орбитальной моделью, оперирующей туманными понятиями, типа «электронное облако», «смещение электронной плотности». Это является одновременно и проблемой изложения знаний для учителей и проблемой получения и усвоения знаний для учащихся. Не хватает простой и наглядной модели, позволяющей объединить эти взгляды, позволяющей совершиться переходу, а не перескоку знания из одной формы в другую. Взаимная противоречивость моделей в базовом обучении приводит к парадоксальности знания. А потенциальный раскол мировоззрения при использовании несовместимых моделей приводит к их делению на реальные и нереальные модели, находящиеся в антагонизме. Это скорее приводит к неправомерному редуцированию знания, а не его полноценному усвоению.

Носителем знаний разного уровня сложности об устройстве атома и его свойствах может являться модель кольцегранных электронных оболочек. Её методическая простота и доступность позволяет использовать её в общеобразовательной школе, в том числе и в классах гуманитарного профиля, а её вариативность и возможность использования усложнённых моделей (узнаваемо кольцегранных: волногранных, или из замкнутых в кольцо спиралей) позволяет её использовать и в классах углубленного изучения. Таким образом, появляется модель, обладающая свойством «узнавания» учащимися разного уровня информированности, имеющая достаточно широкий спектр дидактических свойств, чтобы объяснять круг изучаемых вопросов на протяжении изучения всего школьного курса.

Кольцегранные модели могут использоваться на протяжении преподавания всего курса химии, с самого начала изучения Периодического закона. Это связано с тем, что в восьмом классе Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева изучаются одновременно с ознакомлением учащихся со строением атомов элементов первых четырёх периодов. При этом не даётся характеристика разных форм электронных орбиталей (или облаков). Изучение строения электронных орбиталей может быть перенесено в углубленный курс, или ограничиться ознакомлением учащихся с вариативностью их форм. Основной упор в изучении должен быть сделан на распределении электронов, составляющих оболочку атома на соответствующих уровнях [68].

Это дает учащимся возможность сформировать долгосрочное знание о строении атома, которое не входит в противоречие с более сложными орбитальными моделями. Таким образом, при продолжении изучения химии, углублении знаний, или даже при выборе химической специализации, эти модели позволяют воспринимать новое знание как развитие уже имеющихся знаний, а не их замену, то есть сохранит преемственность знания. Это поможет сохранить целостность мировоззрения, избежать разделения на мир реальный и «мир науки», современной катастрофы «парадоксальности» знания; это сохранит культуру использования научно-технического знания, а не его отторжения как чужеродного и непонятного. Многим известен пример того, как на первом году обучения в высшей школе из уст преподавателя часто звучит фраза: «Забудьте всё, что вы учили в школе. Приступим к обучению заново». Это не просто признание бесполезности школьного знания в некоторых разделах изучения сложных понятий. Переучивание считается труднее обучения. Значительно лучше не торопиться и достигать больших целей малыми средствами. Иначе говоря, незначительные изменения содержания и отражающие их формы, методы и средства обучения значительно выгоднее полного переучивания.

Проблема неполноценности содержания обучения, порожденная либо малой информационной ёмкостью, либо сложностью и избыточной противоречивостью традиционно используемых моделей, может быть решена фрагментарным изменением содержания, связанным с введением в обучение новых моделей.

Все электроны обозначаются кольцами, хорошо выполняют функции наглядных моделей. Кольцегранные модели электронных оболочек атомов и молекул используются для изучения строения веществ, их физических и химических свойств, а также для геометрической интерпретации и демонстрации механизма образования различных видов ковалентных связей. Это предоставляет нам возможность более рационально организовать занятия с использованием кольцегранных моделей по основным темам и разделам курса химии 8 - 11 классов, в частности при изучении следующих тем: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева; Строение атома; Химическая связь; Строение веществ; Общие свойства металлов; Основные классы неорганических соединений: Кислоты, оксиды, основания, соли; Органические вещества: предельные и непредельные углеводороды, ароматические углеводороды, спирты и фенолы, амины. Формы обучения традиционны и различны: процессы усвоения информации происходят через объяснение и демонстрацию учителем, через лабораторные фронтальные опыты и самостоятельные работы (лабораторные, практические и экспериментальные, коллективно - творческие).

Кольцегранные модели могут быть использованы в качестве демонстрационных моделей, используемых учителем при объяснении строения атома и электронных оболочек, его составляющих. Однозначное соответствие в моделях колец электронам позволяет наглядно на доступном геометрическом уровне демонстрировать устойчивость именно тех электронных оболочек, которые определяют вид периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Кольцегранные модели являются новыми и стали использоваться относительно недавно, поэтому большое внимание следует уделять иллюстративному материалу и интерактивной форме его подачи.

При возможности демонстрацию кольцегранных моделей можно проводить после видео-просмотра фрагмента учебного фильма «Путешествие в Наномир», подготовленного студией «Центрнаучфильм» в 1994 году. В рекомендованном фрагменте этого фильма используются кольцегранные модели для рассмотрения строения атома и химических веществ.

В школах, оборудованных компьютерными классами, фронтальные работы по теме «Строение атома» рекомендуется проводить в компьютерном классе. Для ознакомления и закрепления знаний об электронном строении атома рекомендуется провести одно или более компьютерных занятий с обучающей игровой программой «Глобус атома», состоящей из двух частей: первая знакомит учащихся со всеми возможными устойчивыми электронными оболочками атомов в виде кольцегранников, а вторая часть посвящена моделированию полного электронного строения любого атома. Разработаны также и демонстрационные компьютерные графические программы ознакомительного характера, изображающие электронное строение оболочек атома в виде кольцегранников.

Кольцегранные модели могут быть изготовлены с помощью специальных наборов. Например, для изготовления демонстрационных моделей может использоваться набор для конструирования "Магеом". Для использования в качестве раздаточного материала на уроках химии и физики, затрагивающих вопросы электронного строения атома или соединений атомов лучше использовать набор «Кольцегранник» - прототип специализированного набора для использования на уроках химии: "Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул". С его помощью можно изготавливать наглядные модели атомных и молекулярных оболочек различных веществ.

Для проведения фронтальных работ по моделированию электронных оболочек атома рекомендуется использовать раздаточные наборы «Кольцегранник» и собирать двуцветные модели электронных оболочек. Также практические работы используются для изучения вопросов возникновения химических связей и образования молекул.

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

атом школьный химия педагогический

Новые кольцегранные модели нуждаются в сопровождении новыми методическими приёмами их использования для изучения строения вещества в средней школе.

Для соблюдения преемственности в изучении строения вещества введение новых моделей в содержание должно осуществляться совместно с ранее известными знаниями в проблемно - исследовательском плане, чтобы учащимся стало понятно, что ранее используемые модели не объясняют всех свойств изучаемых объектов, а иногда и взаимно противоречат друг другу.

Ранее в главе 2 (пункт 2. 3) были изложены требования и дана характеристика нового компонента комплекса - кольцегранных моделей.

В целом состав комплекса представлен на схеме 3.2 и включает различные виды традиционных и новых моделей. На схеме показаны варианты комплекса разной глубины изучения темы:

1. Сокращённый (для гуманитарных специальностей);

2. Для изучения химии в средней школе;

3. Для углубленного изучения.

Цель деятельности методиста: опираясь на науку и обобщение передового опыта, помогать учителю правильно строить педагогический процесс, вооружать эффективными средствами обучения и воспитания; результат деятельности: методические рекомендации, предписания, разработки [102].

После экспериментов Эрнеста Резерфорда по рассеянию частиц на тонкой металлической фольге, стало ясно, что в атоме есть положительно заряженное ядро. Оно имеет очень малый размер, но почти вся масса атома (больше 99.9 %) сосредоточена в ядре. Основной объём атома занимают отрицательно заряженные частицы (электроны). По сравнению с частицами ядра - «нуклонами», электроны очень лёгкие - почти в 2000 раз легче, за что названы «лептонами». Заряды электрона («лептона», имеющего отрицательный заряд) и протона («нуклона», имеющего положительный заряд) имеют разные знаки, но равны по величине. Отрицательный заряд окружает положительное ядро и делает атом нейтральным, если эти заряды равны (если число протонов в ядре равно числу электронов в атоме).

Нильс Бор предложил «планетарную» модель атома: отрицательные частицы малого веса и малого размера движутся по орбитам вокруг тяжелого положительного ядра (как планеты в солнечной системе вокруг солнца). Движущиеся заряды по правилам электродинамики должны излучать, а значит, теряя энергию на излучение, быстро «упасть на ядро», притянувшись к нему. Так как решить этот парадокс невозможно, Бором были сформулированы постулаты (неочевидные утверждения, которые пока не могут быть доказаны, но необходимы для работоспособности модели). Бор постулировал, что есть некоторое количество таких стационарных орбит, на которых электрон находиться без излучения произвольно долгое время, а излучает (или поглощает) энергию порциями только при переходах с одной такой орбиты на другую.

Позже была предложена другая модель, не требующая постулатов. Луи де Бройль предложил мыслить электрон колеблющейся струной, замкнутой в кольцо. В кольце могут возникать целые количества стоячих волн. Такая «волновая» модель электрона, занимающего весь объём атома, не требует объяснений стабильности атома. Большой и лёгкий электрон не может упасть на маленькое и тяжелое ядро, находящееся в его центре. А энергия связи электрона с ядром связана с количеством стоячих волн, уложенных в кольцевой струне. Движение распределенного заряда электрона по сложной, но замкнутой траектории не приводит к излучению энергии до тех пор, пока не будет меняться количество длин волн, уложенных в кольце. Само число длин волн, уложенных в кольце, объясняет целочисленный характер главного квантового числа - числа, связывающего величины энергий связи электронов в атоме на разных энергетических уровнях. Нильс Бор, как директор института имел большой общественный вес и огромный опыт преподавательской работы. Вероятно, поэтому в учебниках закрепилась именно «планетарная» модель, сопровождаемая постулатами, а модель де Бройля легла в основу волновых и квантово-механических представлений о строении атома и элементарных частиц, его составляющих.

Эрвин Шредингер эмпирически подобрал уравнение, похожее на уравнение колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи электронов в атоме в разных состояниях (на разных энергетических уровнях). В этой математической модели уже не рассматривается динамический характер устройства атома. И даже не рассматривается вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определенные энергетические уровни и излучают (или поглощают) энергию при переходах на другие уровни. Этой численной моделью пользуются для квантово-механических расчетов величин энергий связи. Также с её помощью определяют плотность распределения отрицательного заряда вокруг ядра или системы ядер, области повышенной или пониженной электронной плотности.

Для придания наглядности таким понятиям была создана теория молекулярных орбиталей и придумано несколько конкретных форм орбиталей: шар, объёмная восьмерка, двойная объёмная восьмёрка и тройная объёмная восьмёрка (s, p, d, f). Теорию и модели молекулярных орбиталей (сокращенно МО) используют в химии, а упрощенные модели в школьном курсе химии. Несмотря на упрощенный характер форм орбиталей: s - шар, p - объёмная восьмерка, орбитальными моделями пользоваться сложно. Орбитали постоянно изменяют свою форму и гибридизируют между собой разными способами (sp, sp2, sp3,...), образуя разные виды связей (сигма, пи, смешанные виды). При этом высшие формы (d, f) и их гибриды в школе только упоминают, без рассмотрения. Кроме того модели страдают слабой наглядностью при объяснении взаиморасположения электронов в сложных атомах, а это является необходимым для формирования дееспособного знания. Правильное представление о количественном распределении электронов в атоме важно для объяснения строения атома, демонстрации распределения электронов по оболочкам (или уровням, характеризующимся определенной энергией связи в атоме), тем более что Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева построена на основе существования устойчивых электронных оболочек. Их устойчивость - основа периодического закона.

Для наглядного объяснения количественного распределения электронов по слоям (устойчивым оболочкам) в атоме используется кольцегранная модель Кеннета Снельсона. Устойчивость электронных оболочек демонстрируется учителем с помощью кольцегранных моделей, в которых все электроны обозначены кольцами двух цветов (либо двухцветными кольцами, имеющими магнитные свойства). Цвет колец, обозначающих электроны, позволяет обозначить различия электронов, связанные с наличием внутреннего свойства вращения, или «спин»: «+» или «-» (или кольца, имеющие свойства кольцевых магнитов). Кольцегранные модели отличаются однотипностью изображения электронов и очевидностью взаимного расположения электронов в оболочке. Также возможно одновременное изображение всех электронов атома или сложной атомной оболочки и демонстрация равномерного распределения электронов в оболочке (с учетом чередования их свойств внутреннего вращения - «спин»).

Из двух кольцевых магнитов получается модель первой устойчивой оболочки, из восьми - модель второй завершенной оболочки. Аналогично получаются модели остальных устойчивых оболочек (из 18 и 32-ух электронов).

Для объяснения учебного материала по темам, связанным с изучением основ квантовой механики, в частности целочисленного главного квантового числа и связанной с ней кратностью энергий связи электрона в атоме используется волногранная модель, аналогичная кольцегранной, но содержащая в каждом электроне - кольце целое число волн (аналогично модели де Бройля).

Приведённая здесь подробная методика преследует понимание учащимися развития представлений о строении атома, в частности:

а) о каждом периоде развития научных представлений, отражающих современный уровень развития знаний;

б) о формировании научных методов моделирования и их задачах.

Как отмечал Пидкасистый П. И. [85 стр. 87], «овладеть научным понятием можно на трех уровнях: описание явления, его объяснение и управление им». Сформировать у учащихся понятия о строении вещества и привести их в систему - значит выполнить лишь начальную часть учебно-педагогической задачи. Полное ее претворение в жизнь заключается в том, чтобы выработать у учащихся умение применять приобретенные знания в процессе последующего изучения курса химии, добиться того, чтобы усвоенные теоретические знания стали научным методом дальнейшего познания. Этому способствует организация экспериментальных работ исследовательского и проблемного характера. Формой проведения таких занятий является не только самостоятельная, но и коллективная содеятельность учащихся и педагога. Самым результативным для усвоения информации является проведение модельного эксперимента. Модельный эксперимент выступает как учебная форма научного познания.

Для проведения модельного эксперимента можно использовать специально разработанный раздаточный набор для моделирования форм атомов и молекул в виде кольцегранников. При использовании набора для моделирования кольцегранных оболочек атомов и молекул используются примерно следующие рассуждения. В атоме каждое отрицательно заряженное кольцо (электрон) стремится занять такое положение, чтобы ядро находилось в его центре. Но если электронов более одного, то это становится невозможным, и они располагаются вокруг ядра, преимущественно стремясь оказаться равноудаленными от ядра. При таком способе моделирования электронные оболочки выглядят многогранниками, грани которых представлены кольцами, за что и названы "кольцегранниками". В этих фигурах число колец соответствует количеству электронов на оболочке. Кольцегранники из 2, 8, 18 и 32-х колец являются моделями самых устойчивых электронных оболочек. Они близки к сферической форме и отличаются наибольшим числом осей симметрии: кольца располагаются в гранях взаимно пересекающихся правильных многогранников (так называемых тел Платона). Для демонстрации симметрии и устойчивости модели электронных оболочек желательно делать, используя два контрастных цвета, например, красный и синий.

Таким образом, можно проводить ознакомление с темой «Строение атома». В помощь учителю и учащимся предлагается таблица 2. «Строение атома» серии «Строение вещества» (приложение 4). Рассмотрим пример работы учителя с этим компонентом комплекса.

Строение атома

В центре таблицы 2 приложения 4 изображена модель атома:

-ядро атома имеет малый размер и состоит из протонов (положительно заряженных частиц, обозначаемых p+) и нейтронов (частиц, заряд которых равен нулю и обозначаемых n0);

-радиус ядра атома чрезвычайно мал (он может составлять одну стотысячную радиуса всего атома), а масса составляет больше 99.9 % от массы атома;

-основной объём атома занят электронными оболочками, составленными из различного количества электронов (частиц, имеющих отрицательный заряд и обозначаемых е-);

-электронные оболочки располагаются слоями вокруг ядра атома.

Сопоставление размеров атома и его ядра должно привести учащихся к убеждению о сложном строении его электронных оболочек.

Строение атома изучается в школьном курсе физики. Межпредметные связи способствуют формированию целостных представлений о предмете. Но, если в курсе физики основной акцент ставится на ядро атома, то в курсе химии основное внимание уделяется электронным оболочкам. Несмотря на чрезвычайно малую массу по сравнению с массой ядра, именно электронные оболочки, особенно вид и форма внешней оболочки, определяют химические свойства атома, а также формы молекул и кристаллов. Поэтому правильное представление о взаиморасположении электронов в атомах, и особенно на внешней оболочке, является необходимым для формирования полноценного знания. При объяснении строения атома важно показать не только распределение электронов по атомным оболочкам (или уровням, характеризующимся определенной энергией связи в атоме), но и объяснить закономерности их взаиморасположения, которые являются общими не только при формировании атомной, но также и молекулярных оболочек.

Каждый элемент в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (общий вид обозначения приведен в левом верхнем углу таблицы) характеризуется зарядовым числом - Z (количество протонов в атоме) и атомным числом - A (суммарное количество протонов и нейтронов), а также положением в таблице, определяемым видом и степенью завершённости его электронных оболочек. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева построена на основе существования в атоме устойчивых оболочек. Основа периодического закона - особенная устойчивость некоторых электронных оболочек.

Рассмотрение электронного окружения ядра атома целесообразно начать с электронных схем строения атома с цифровыми обозначениями количества электронов на каждой оболочке. Для наглядности оболочки пронумерованы на изображении модели атома в разрезе и на электронных схемах атомов под моделью, приведенных в качестве примера последовательного расположения оболочек в разных атомах.

Демонстрация строения электронных оболочек проводится учителем с помощью кольцегранных моделей. В моделях кольца обозначают электроны оболочки. Учитель либо демонстрирует уже собранные модели, либо моделирует образование электронной оболочки, предлагая ученикам фронтальную работу по моделированию оболочек вслед за учителем. Тогда плоские изображения моделей на таблице становятся более понятными учащимся и облегчают дальнейшее моделирование более сложных электронных структур молекул. Далее учитель снова обращается к демонстрационной таблице.

В кольцегранных моделях могут использоваться магнитные кольца; кольца немагнитные, но обозначающие собой кольцевые магниты своей расцветкой (красно-синие); либо кольца разных двух цветов. В последнем (самом распространённом случае) разный цвет колец обозначает два варианта расположения электронов в оболочке, связанные с наличием у электрона свойства внутреннего вращения, или «спин»: «+» или «-». Понятие спин (или внутреннее вращение) электрона связывается с вращением заряда электрона по кольцу либо по, либо против часовой стрелки, или с направлением магнитных силовых линий от южного к северному магнитному полюсу внутри кольцевого магнита (или от «+» к «-»), что традиционно обозначается в моделях красным и синим цветом. Вектор спин обозначается значком s и показан стрелкой, перпендикулярной плоскости кольца и выходящей из его центра. Направление вектора спин определяется в зависимости от направления движения заряда по кольцу. Эта информация не является сложной для понимания учащимися, поскольку известна из курса физики: направление вектора спин определяется по правилу буравчика, но в обратную сторону, так как движение отрицательного заряда эквивалентно движению положительного заряда в обратную сторону. На таблице это показано схематически и выделено цветом колец (вверху справа).

Кольцегранные модели демонстрируют формирование строго определенных электронных оболочек в атоме. Из колец двух цветов (или двуцветных колец, расположенных разными цветными сторонами к ядру и от ядра) возможно построение определенного количества кольцегранников, в которых соприкасаются кольца только разных цветов. Наиболее симметричные из них являются моделями завершенных, или устойчивых электронных оболочек. Они изображены на таблице по возрастанию количества электронов.

С помощью кольцегранных моделей показываем устойчивость электронных оболочек, объясняющих периодический закон и Периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева. Кольцегранные модели отражают полное электронное строение атома. С их помощью отвечаем на вопрос, почему на устойчивых оболочках расположено именно такое количество электронов. Новым дидактическим качеством кольцегранных моделей является не только демонстрация устойчивости определенных электронных оболочек в атоме, определяющих вид Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, но возможность проведения модельного эксперимента для проверки их устойчивости. Кольцегранные модели позволяют проводить модельный эксперимент по определению и проверке количества электронов, составляющих устойчивые оболочки. Существенно облегчает усвоение материала использование компьютерных средств, в частности ознакомительных или обучающих компьютерных программ, с которыми можно проводить занятия в компьютерном классе.

Например, обучающая компьютерная графическая программа "Глобус атома", которая содержит элементы игры и предназначена для использования в 8-10 классах средней образовательной школы.

Обучающая компьютерная графическая программа "Глобус атома" состоит из двух частей.

Часть 1. «Глобус атома» знакомит учащихся с устойчивостью электронных оболочек. Пользователю предлагается выбрать количество электронов из предложенного ряда от 1 до 32-ух, из которых будет составлена модель электронной оболочки. После выбора на экране появляется изображение соответствующего кольцегранника в контурных линиях. Пользователю предлагается «раскрасить» кольцегранную модель электронной оболочки в два цвета таким образом, чтобы оболочка «не развалилась» при ее проверке на «магнитную устойчивость». Использование двух разных цветов подразумевает наличие у колец, моделирующих электроны, двух различных способов расположения в оболочке, связанных с наличием у электрона магнитных свойств (спин - характеристики «+» или «-»). Проверка правильности раскрашивания осуществляется автоматически по окончании выбора цветов.

Для правильного выбора цвета необходимо соблюдать правила чередования магнитных свойств (спин - характеристик) электронов в оболочке, что отражается различными цветами колец, участвующих в образовании кольцегранника, моделирующего электронную оболочку.

Симметричность кольцегранной фигуры, моделирующей электронную оболочку, является одним из критериев устойчивости оболочки.

Если пользователь убежден, что он не только правильно расставил цвета колец в оболочке, но и верно выбрал число электронов, из которых состоит симметричная оболочка, он может провести проверку оболочки на устойчивость.

В случае ошибки оболочка разрушается, вращаясь вокруг оси, относительно которой она не является симметричной. Затем следует предложение повторить попытку. Предусмотрен режим демонстрации правильно собранных электронных оболочек: демонстрируется вращение устойчивых оболочек в виде компьютерной мультипликации.

В части 2. «Глобус атома» проводится сборка электронного глобуса атома.

Предлагается распределить все электроны выбранного атома по разным уровням, или возможным оболочкам с учетом заряда ядра.

При наборе электронов на каждую оболочку на экране идет демонстрация ее заполнения.

После окончания распределения электронов по оболочкам предоставляется время для размышлений и исправлений до выбора команды "проверка".

В случае неправильной сборки происходит демонстрация перестроения электронных оболочек - переходов электронов на другие уровни и правильное их распределение по оболочкам. По окончании демонстрации верного распределения электронов задача предлагается снова: информация о правильном распределении электронов скрывается для предоставления учащимся возможности самостоятельно распределить электроны по оболочкам.

Предусмотрена показательная демонстрация правильной сборки одного сложного атома - радона (Ra). По окончании правильной сборки какого-либо атома, в качестве приза и факта окончания работы идет непрерывная демонстрация правильной "сборки - разборки" верно собранного элемента.

Для удобства оценки результативности работы учеников в обеих частях программы предусмотрен счетчик времени работы и запись лучших результатов и фамилий исполнителей.

Интерактивное изучение устойчивости электронных оболочек в форме компьютерного урока позволяет учащимся проверить устойчивость всех, особенно сложных 18-ти и 32-ух, электронных оболочек без потери времени на их длительную сборку в виде материальных моделей.

Простые модели первых двух электронных оболочек полезно уже на первых уроках сконструировать во время проведения фронтальной работы. При наличии наборов «Кольцегранник» осуществляется сборка моделей завершенных электронных оболочек из 2 и из 8 колец - электронов. Очень удобным для сборки кольцегранников является использование магнитных колец (или специальных магнитных наборов).

В процессе работы с компьютерной программой (или проведения самостоятельной работы по моделированию кольцегранных моделей электронных оболочек) у учащихся возникает вопрос об устойчивости симметричных моделей оболочек из 10 и 14 колец. Если такой вопрос не возникает, то учитель может сам акцентировать на этом внимание для понимания процесса формирования электронных оболочек атома. Модели завершенных симметричных оболочек из 10 и 14 колец отличаются правильным чередованием цветов контактирующих между собой колец, но эти оболочки не образуют периодов в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Оболочка из 10 электронов характеризуется слабой симметрией: она имеет только одну ось симметрии. Оболочка из 14 электронов имеет оси симметрии, аналогичные оболочке из 8 электронов, но в атоме не реализуется, так как входит в конфликт с оболочкой из 8 электронов, находящейся внутри 14-ти электронной. При построении двухцветных моделей и помещении 8 внутрь 14 становится очевидной их несовместимость спин, или магнитных свойств, что приводит к слабой устойчивости 14-ти электронной оболочки и ее достраиванию до 18-ти электронной.

Размер колец, составляющих модели электронных оболочек, отражает величину энергии связи электронов атомной оболочки и зависит от удаленности оболочки от ядра и количества электронов на оболочке. Зависимости радиуса кольца, обозначающего электрон, от заряда ядра, воздействующего на него, позволяет качественно объяснить изменение размеров электронных оболочек, позволяющее помещать внутренние оболочки из большего количества электронов в объем внешних оболочек, из меньшего количества электронов. Например, размер первых оболочек атомов элементов первого периода может отличаться в десятки (и даже сотни) раз от размеров первых оболочек элементов 4 и 5 периодов, потому что заряд ядра, воздействующий на электроны оболочки в этих атомах, отличается в десятки раз.

Изучение устойчивых электронных оболочек в атомах позволяет подробно рассмотреть строение атома. Электронная конфигурация атомов, имеющих две и более электронные оболочки, моделируется в виде нескольких кольцегранных фигур, вложенных одна в другую и имеющих общий центр, совпадающий с ядром атома. Например, атом неона (Ne) изображается в виде двух колец, лежащих в параллельных плоскостях, внутри фигуры из восьми колец, сделанных из трубочек средней длины (таблица 1 приложения 4). При моделировании атомов, имеющих несколько электронных оболочек, рекомендуется для наглядности делать каждую оболочку каким-либо одним цветом. Особой необходимости в этом нет, поскольку значение имеет показ конкретного способа моделирования и его результат. В большинстве случаев для демонстрации достаточно собирать только модель внешней оболочки из восьми электронов, пренебрегая изображением внутренних.

Для изучения взаимосвязи электронного строения атома элемента с его химическими свойствами учитель использует таблицу 3. «Электронные оболочки атомов» серии 2. «Строение веществ». Рассмотрим, как содержание таблицы 3 позволяет знакомить учащихся с электронным строением элементов второго периода путём сопоставления электронных схем строения атома, орбитальных и кольцегранных моделей и делать прогностические выводы о химических свойствах веществ на основании их электронного строения. Электронные оболочки атомов

Электронная схема - это знаковая модель, которая не представляет объёмного образа электрона и электронной оболочки. Она удобна для отражения последовательности заполнения электронных слоев и каждой электронной оболочки. Разнонаправленность стрелок, обозначающих электроны, позволяет обозначать фундаментальное свойство электронов, «спин», или наличие у них внутреннего вращения: «+» или «-».

Далее в таблице представлены орбитальные модели. Традиционно в курсе химии используют понятие электронной орбитали. Электронная орбиталь - это область пространства, в которой максимальна вероятность обнаружения электрона (как трактуется это в физике) или область пространства, в которой сконцентрирована его электронная плотность (как это трактуется в химии). Орбитальные модели предназначены для отражения пространственного распределения электронной плотности в объёме атома. Различные формы электронных орбиталей и их видоизменения должны отражать процессы образования химических связей. Орбитальные модели являются упрощенным отражением более сложных научных моделей. Несмотря на упрощённый характер используемых в школе форм электронных орбиталей, они оказываются сложными для изучения, поскольку для их использования приходится вводить много дополнительных понятий, таких как взаимопроникновение, перекрывание, гибридизации разных видов: sp, sp2, sp3 и другие. Также на орбитальных моделях затруднено изучение понятия спин электрона. Использование орбитальных моделей полезно учащимся, особо интересующимся химией или на факультативных занятиях.

Во второй половине 20 века появились кольцегранные модели, более простые в изучении и использовании. Использование кольцегранных моделей позволяет демонстрировать формирование электронных оболочек в атоме без введения дополнительных понятий. Фундаментальное свойство электрона -спин (или внутреннее вращение электрона) определяется в моделях с движением заряда электрона по кольцу по или против часовой стрелки. Движение заряда (ка это известно из курса физики) приводит к появлению магнитных свойств у такой модели электрона, что объясняет стремление электронов к спариванию в атомных оболочках. Изображение магнитных свойств возможно прямым использованием кольцевых магнитов или же символическим обозначением в моделях колец красным или синим цветом (при возможности используются двуцветные кольца: одна сторона красная, другая синяя).