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

С помощью кольцегранных моделей наглядно и доступно рассматриваем:

а)электронное строение атома и образование устойчивых электронных оболочек, объясняющих периодический закон и Периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева;

б)влияние электронного строения на окислительные и восстановительные свойства элемента;

в)атомные размеры и его сравнительную реакционную способность;

г)увеличение количества электронов на валентной оболочке и связанное с этим изменение свойств элементов в периоде.

Кольцегранные модели объединяют в себе достоинства и электронных схем и орбитальных моделей:

а) простота и однотипность изображения электронов;

б)наглядное изображение спин характеристики;

в)возможность одновременного изображение всех электронов атома при сохранении очевидности структуры каждой электронной оболочки;

г)наглядность распределения электронов в атоме по оболочкам;

д)равномерное распределение электронов в оболочке с учетом их спин взаимодействий;

е)взаиморасположение пар электронов и неспаренных электронов в объёме;

ж)демонстрация незавершенности оболочки и оценка реакционной способности элемента в зависимости от вида его внешней электронной оболочки.

Помимо перечисленных, кольцегранные модели имеют и новые дидактические возможности: демонстрация устойчивости определенных электронных оболочек в атоме, определяющих вид Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева и возможность проведения модельного эксперимента для проверки их устойчивости.

Ниже предложена логика изучения материала, не нарушающая должную преемственность понятий и способствующая формированию фундаментального целостного знания. Оптимальным приёмом обучения является диалог учителя с классом с включением фронтального фрагментарного моделирования.

В атоме лития (Li) пара электронов внутренней оболочки с разными спин характеристиками обозначена двумя кольцами разных цветов, расположенными параллельно и симметрично относительно ядра. Один неспаренный электрон внешней оболочки занимает явно неустойчивое положение. Такое положение электрона внешней оболочки определяет повышенную реакционную способность атома, его сильные восстановительные свойства.

Модель электронных орбиталей атома лития менее информативна, но также показывает спаренные две s- орбитали первой оболочки и одну неспаренную s- орбиталь внешней оболочки в виде шаров разного размера. Неспаренность орбитали внешнего электрона обозначается менее ярким цветом.

Каждый последующий элемент отличается на один электрон и на одно зарядовое число ядра. Последовательность застройки электронной оболочки по длине периода видна как увеличение числа колец, обозначающих электроны, на второй от ядра оболочке. Увеличение заряда ядра подразумевается, но никак не отражается в моделях электронных орбиталей, а в кольцегранных моделях показано косвенно, меньшим размером колец, обозначающих электроны. Вообще размер колец, обозначающих электроны, зависит от заряда ядра и близости оболочки к ядру атома.

На кольцегранной модели атома бериллия (Be) видно, что электроны расположены симметрично, относительно ядра. На орбитальной модели показано цветом, завершенность второго s-слоя. Но это справедливо только для атома (Be), внешняя оболочка которого тождественна внутренней и в силу симметричности кажется завершенной.

К атому бора (B) применимо общее правило застройки электронной оболочки: электроны сначала занимают все свободные неспаренные орбитали (правила Хунда). Однако по традиции, принятой ещё в 50-е года прошлого века, s- орбитали показывают всегда спаренными. На орбитальной модели показаны спаренных две s- орбитали и одна p- орбиталь, что не соответствует правилу заполнения орбиталей (правило Хунда), но исправляется при объяснении образования химической связи с помощью введения в понятия возбуждения и распаривания s- орбиталей и дальнейшей их гибридизации совместно с p-орбиталью. Таким образом, с помощью использования понятия о гибридизации s- и p- орбиталей, объясняются формы соединений атомов бора, характеризующиеся углами 120° в соединениях BCl3 или B(OH)3.

При использовании кольцегранных моделей не требуется введения понятия гибридизации. На кольцегранной модели атома бора все электроны внешней оболочки показаны одинаковыми кольцами одного цвета. Три кольца, обозначающие электроны внешней валентной оболочки атома, взаимно располагаются так, чтобы быть равноудаленными от ядра (в гранях треугольной призмы). Углы между их нормалями составляют 120°, что при образовании связей приводит к аналогичной величине валентных углов 120°.

Изображение слабосвязанных валентных электронов элементов 1, 2, и 3 групп в виде кольцегранных моделей конструктивно затруднено, так как кольца, их изображающие, не должны соприкасаться. При проведении фронтальных работ рекомендуется моделировать электронные оболочки, начиная с элементов 4 группы главных подгрупп. Они представляют собой или восьмигранники, в которых не хватает нескольких колец, или завершенные восьмигранники, в которых «неспаренные электроны» изображаются сразу парой колец: одно из которых цветное, изображающее электрон, а второе, расположенное напротив первого, - бесцветное, подчёркивающее его «неспаренность». Таким образом, в моделях недостающие до завершения оболочки электроны (или незаполненные орбитали) изображаются бесцветными кольцами.

Атом углерода (С) имеет на внешней оболочке 4 электрона. На орбитальной модели это показано появлением второй неспаренной p-орбитали. Соединение углерода с ординарными связями - метан (CH4) характеризуются углами 109°. Для объяснения образования такого простого соединения с помощью орбитальных моделей приходится использовать понятие о гибридизации s- и p- орбиталей, предваряя его понятием перехода атома в возбужденное состояние и распаривания s-орбиталей.

При использовании кольцегранных моделей всего изложенного выше не требуется. Кольца, обозначающие электроны внешней валентной оболочки атома углерода взаимно расположены в пространстве таким образом, чтобы обеспечить максимальную взаимную и равную удаленность - то есть в гранях тетраэдра под углами 109°. Синий цвет колец обозначает одинаковую спин характеристику - все электроны внешней оболочки неспаренные. Оболочка не завершена. Атом реакционноспособен. Четыре незаполненных орбитали показывают, что его валентность равна четырем. Причем как в сторону окисления, так и восстановления.

У азота (N) только три незаполненных орбитали, что объясняет его валентность как окислителя, равную трем, а как восстановителя три и пять.

Как отмечают методисты [57], важно, чтобы учащиеся имели представление не только о числе электронов на внешней оболочке атома, но и о том, как они распределены по орбиталям. Обычно для этой цели используются схемы заполнения орбиталей. Кольцегранные модели позволяют это демонстрировать на модельном эксперименте. Например, наличие неспаренных электронов в оболочке может изображаться наличием бесцветных колец. Они располагаются напротив цветных колец и обозначают отсутствие электрона с противоположным знаком спин. Они же представляют собой вакантные места для акцепторных электронов или атомов водорода. Например, шесть электронов атома кислорода на внешней оболочке распределяются таким образом, что составляют незавершенную фигуру из восьми колец (кольцегранный октаэдр), в которой не хватает двух колец до завершения оболочки. Эти два вакантных места в оболочке кислорода могут быть заполнены акцепторными электронами или электронами атомов водорода. Такая модель соответствует объяснению электронной схемы [57, с. 41]: в молекуле воды два неспаренных электрона связывают атом кислорода с двумя атомами водорода.

Размеры колец, составляющие кольцегранные модели, отличаются. Их размер качественно отражает величину энергии связи электронов в оболочке. Чем больше энергия связи электрона в оболочке, тем меньше радиус кольца, моделирующего электрон. А чем меньше ковалентный радиус, тем больше электроотрицательность, или так называемое сродство к электрону. В представленном ряду у атома фтора радиус наименьший, а электроотрицательность наибольшая. Он проявляет максимальные окислительные свойства.

Одновременное использование для обучения как минимум этих трёх рассмотренных моделей: электронная схема, кольцегранная и орбитальная модели, обеспечивает наиболее полное изучение материала при недостаточном количестве академических часов, выделенных на предмет. При возможности рекомендуется использование моделей Гилеспи (электронных пар) и усложнённых кольцегранных моделей, скомбинированных с моделями магнитных силовых линий в виде спиралей, обвивающих кольца, более наглядно изображающих взаимодействие электронов в оболочке.

В таблице представлены три типа объёмных моделей. Первый - это масштабная модель (Стюарта- Бриглеба), представляющая собой целый класс однотипных простых моделей (включая скелетные и шаро-стержневые) не отражающих электронную структуру моделируемых соединений; второй - это кольцегранная - наиболее информативная модель, отражающая подробно электронную структуру веществ; третий - это орбитальная модель, рассматривающая виды и изменения электронных орбиталей в процессе образования химических связей.

Такое сочетание позволяет соблюсти определённую преемственность при изучении строения веществ, а использование комплекса различных приёмов моделирования и видов моделей способствует пониманию и формированию целостных представлений об особенностях химической связи, структуры веществ, их свойств.

Масштабная модель метана (CH4) выглядит комбинацией одного усечённого плоскостями чёрного шара - атома углерода и четырёх желтых усечённых шаров - атомов водорода.

На орбитальной модели показан результат гибридизации s- и p- орбиталей и спаривания четырёх гибридизированных орбиталей углерода с орбиталями атомов водорода при образовании связи.

Метан (CH4) имеет на внешней оболочке 4 электрона углерода, которые в процессе образования химической связи спариваются с электронами атомов водорода. На кольцегранной модели это показано парным расположением черных колец углерода напротив бело - жёлтых колец водорода. Электроны образуют пару симметрично относительно ядра атома. Четыре таких пары образуют завершенную молекулярную оболочку. Над центрами жёлтых колец находятся ядра атомов водорода. Для отличия от более крупных ядер они показаны оранжевым цветом. Они не находятся ровно в центре жёлтых колец из-за отталкивания от ядра атома углерода.

Использование кольцегранных моделей необходимо сочетать с традиционными способами закрепления знаний, например, используя опорные схемы и тренировочные упражнения, построенные по разделу «Углероды» [95].

На масштабной и орбитальной моделях это показано в декларативной форме. С помощью кольцегранной модели можно объяснить уменьшение валентного угла. Водородные радикалы отличаются меньшим размером колец, моделирующих атомы водорода, что и приводит к деформации всей электронной оболочки молекулы с уменьшением валентных углов.

Расположение ядер атомов водорода вне центров электронов - колец из-за отталкивания от центрального ядра молекулы является причиной их повышенной подвижности, а также способности к образованию водородных связей, которая часто реализуется молекулами аммиака и воды.

Соединение простейшего атома - водорода с атомом фтора на кольцегранной модели выглядит просто включением атома водорода, а именно, одного электрона в виде кольца вместе с его ядром - протоном в электронную оболочку атома фтора. Электрон атома водорода позволяет завершить электронную оболочку атома фтора, а притянутый протон позволяет сохранять общий нейтральный заряд соединения. Однако протон - ядро атома водорода становится подвижным из-за отталкивания от ядра фтора. При его отрыве образуются ионы F-- и H+. Таким образом, кольцегранные модели позволяют демонстрировать процессы образования ионов.

Ионная связь образуется между атомами, в сильной степени различающимися по электроотрицательности, например, между типичными (щелочными) металлами и типичными неметаллами - галогенами. Так если атом фтора, обладающий максимальной электроотрицательностью и малыми размерами, приблизится к сравнительно большому атому цезия с почти минимальной электроотрицательностью, то атом фтора так сильно воздействует на электронную оболочку атома цезия, что может перетянуть к себе его валентный электрон.

Ионная связь

Изучение ионной связи желательно начинать с эксперимента - показа горения натрия в хлоре. Уместно поставить перед учащимися вопрос об условиях реакции и подвести их к предположению о том, что для начала реакции требуется нагревание. На таблице «Ионная связь» (приложение 4) схематически рассмотрено взаимодействие металла - натрия и неметалла -хлора. Мы видим последовательные процессы, приводящие к образованию положительного иона натрия и отрицательного иона хлора, и соединение их в кристаллическую решетку хлорида натрия, или поваренной соли которая имеет кубическую гранецентрированную решетку, состоящую из равного количества ионов Na+ и Cl-.

Здесь, как и в предыдущем случае, уместно сформулировать перед учащимися проблему, касающуюся механизма образования химической связи, и с помощью кольцегранных моделей подвести их к её разрешению.

Схема процесса отдачи электрона атомом натрия и его присвоение атомом хлора в таблице показана с помощью простых моделей Стюарта-Бриглеба, изображающих все объекты в виде шариков. (С точки зрения электродинамики нейтральные атомы вовсе не должны стремиться к превращению в ионы).

Для объяснения причин превращения электрически нейтральных атомов в ионы в таблице помещена схема процесса, изображенная с помощью кольцегранных моделей, отражающих количество и расположение всех электронов атомов на оболочках. У атома натрия внешняя оболочка состоит из единственного электрона. Это неустойчивое состояние показано наличием слабо связанного (незакрепленного) электрона в виде кольца. Для отдачи электрона натрием необходимо металл нагреть (сообщая электрону повышенную подвижность) и поместить в банку с хлором. У атомов хлора внешняя оболочка составлена из семи электронов, образующих незавершенную конфигурацию устойчивой оболочки из восьми электронов -кольцегранника, у которого не хватает одного кольца до создания сверхсимметричной формы из восьми колец (модель устойчивой завершенной оболочки). Формы электрических и магнитных полей этой незавершенной оболочки из семи электронов создают своего рода ловушку для недостающего восьмого электрона, который призван завершить оболочку и придать ей правильный симметричный вид. Выигрыш по энергии связи от завершения оболочки превышает энергию связи одиночного электрона в атоме натрия. Именно по этой причине нейтральные атомы переходят в состояние ионов, имеющих завешенные оболочки: у хлора с избытком одного электрона, у натрия с недостатком.

Полезно здесь и поставить вопрос об изменении размеров ионов по сравнению с размерами атомов. На примере натрия и хлора проявляется общая закономерность в изменении размеров положительных и отрицательных ионов по сравнению с нейтральными атомами: отдача электрона приводит к уменьшению размеров соответствующего иона, а присоединение электрона (восстановление) атомом галогена - к увеличению размеров соответствующего отрицательного иона. Кроме того, уменьшение размеров катиона происходит в большей степени, чем увеличение аниона по сравнению с нейтральными атомами тех же элементов. К этому выводу учащиеся способны прийти без дополнительных объяснений учителя, только лишь рассматривая электронное строение атомов, превращающихся в ионы, поскольку очевидно, что у катиона число электронных оболочек стало на одну меньше, чем у нейтрального атома, а у аниона - осталось без изменения (увеличилось только количество электронов в оболочке).

На схеме процесса образования ионной пары (Na+Cl -) относительные размеры атомов и ионов даны приблизительно. В схеме кристалла пропорции ионов соблюдены.

Возможность соблюдения пропорций ионных радиусов ионов и ковалентных радиусов при изображении соединений с ковалентными связями является важной отличительной чертой наборов для сборки моделей атомов и молекул в виде кольцегранников, которые можно предложить учащимся собрать, используя известные примеры (вода, метан). Это качество позволяет акцентировать внимание на взаимозависимости энергии связи соединения и его относительных размеров. На это особенно обращается внимание благодаря необходимости подготовки длин используемых элементов. Точных соотношений можно добиться, обрезая трубочки до нужной длины. Для этого достаточно, используя справочные данные о величинах ионных радиусов, составить пропорцию радиусов моделируемых ионов и длин трубочек для сборки.

Различные виды ковалентных связей, одинарные и двойные, полярные и неполярные удобно изучать с помощью кольцегранных моделей.

Ковалентная связь

В процессе изучения природы химической связи учащиеся приходят к пониманию механизма образования ковалентных связей вследствие образования общей электронной оболочки для ядер атомов, входящих в соединение. Эти выводы могут быть сформированы учащимися под руководством учителя и сводятся к следующим положениям:

*Ковалентная связь образуется между двумя атомами в случае объединения их электронных оболочек, что происходит в случае невозможности образования завершенной оболочки у каждого атома.

*Завершение электронных оболочек происходит не за счёт присоединения электрона, что имеет место в ионной связи, а за счёт использования для завершения электронной оболочки одного атома электронной оболочки другого атома. Таким образом, происходит образование общей молекулярной оболочки.

*Когда связь образована одинаковыми атомами, то электронная оболочка симметрично окружает ядра атомов, и мы говорим об образовании неполярной связи.

*Если входящие во взаимодействие атомы различаются по электроотрицательности, то образуется полярная связь. Молекулярная оболочка (и электронная плотность) смещена в сторону наиболее электроотрицательного атома.

Соединение двух атомов водорода в молекулу осуществляется электронами, что на схеме показано точками или стрелочками. На рисунке видно как масштабные модели атомов водорода соприкасаются и деформируются, что обозначает перекрывание электронных орбиталей в молекуле водорода. На кольцегранных моделях взаимодействие показано сближением колец, обозначающих электроны. Сближение ядер атомов за счёт взаимодействия их электронных орбиталей ведёт к уменьшению внутренней энергии молекулы. Следовательно, образование связи энергетически выгодный процесс и сопровождается выделением теплоты - это экзотермический процесс.

Аналогично показано образование полярной связи в результате перекрывания электронных орбиталей и слияния электронных оболочек атомов водорода и хлора. Более подробно процесс образования общей электронной оболочки показан с помощью кольцегранных моделей. Электронная оболочка атома хлора достраивается до завершенного вида с помощью электрона атома водорода. Отличие от иона хлора здесь в том, что протон - ядро атома водорода остаётся в центре кольца - электрона атома водорода. Неполярный характер связи виден в том, как расположен протон - ядро атома водорода. Испытывая отталкивание от ядра атома хлора, он выталкивается из центра кольца: его электронная плотность смещается в сторону хлора.

Двойные ковалентные связи также могут иметь полярный или неполярный характер. Так, например, два атома сильного окислителя - кислорода образуют соединение с двойной связью. Электронная плотность равномерно распределена около двух ядер атомов в случае их равной электроотрицательности (молекула кислорода O2) или же может смещаться в сторону более сильного окислителя, в случае связи атомов разной электроотрицательности.

Интересным является соединение углекислого газа (CO2). Проведите опрос учащихся: "К какому виду относится ковалентная связь в этом соединении"?

Верным будет являться развернутый ответ:

1.Соединение с ковалентной связью характеризуется образованием общей электронной оболочки для нескольких входящих в соединение атомов;

2.Разность значений электроотрицательности атомов углерода и кислорода определяет полярный характер связи C=O;

3.Из-за симметричного расположения атомов кислорода относительно атома углерода, полярность соединения не бросается в глаза и проявляется только в перераспределении электронной плотности на атоме углерода.

Таким образом, приведённых выше примеров достаточно, чтобы показать основные приёмы использования комплекса с включением кольцегранных моделей при изучении строения вещества в курсе химии средней школы.

Имея в виду тот факт, что в процессе изучения химии традиционные модели достаточно хорошо усвоены учителями, а методика использования комплекса с включением кольцегранных моделей является новой, предложен примерный перечень лабораторных и практических работ по неорганической и органической химии, проводимых с использованием кольцегранных моделей в процессе изучения курса химии в средней школе.

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

Конструирование комплекса предусматривало проведение эксперимента и апробирования отдельных компонентов комплекса с целью не только наиболее рационального состава комплекса и его включения в систему школьного образования, но и достижения более высокого качества знания учащихся.

Педагогический эксперимент включал три этапа: диагностирующий, исследовательский и констатирующий.

Диагностирующий этап эксперимента преследовал цель выявить готовность учителей к использованию новых кольцегранных видов моделей и целесообразность введения их в комплекс моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы, сопровождающиеся изменением в содержании образования для улучшения качества знания.

Были выявлены следующие проблемы, возникающие у учителей в процессе преподавания учебного материала по теме «Строение вещества»:

1.Учитель не может объяснить противоречивость и несовместимость различных моделей электрона из-за отсутствия в содержании образования информации о способах совмещения в элементарной частице противоречивых свойств, определяемых в научных экспериментах.

2.Из-за сложности объяснения устойчивости электронных оболочек, определяющих вид Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, учитель вынужден ограничиваться ссылкой на факт экспериментальной и теоретической подтверждённости устойчивости определённых электронных оболочек.

3.Без ответа остаётся вопрос о взаиморасположении электронов на внутренних оболочках атомов третьего и больших периодов.

4.Учитель не может продемонстрировать или объяснить на модели спин электрона в рамках курса химии средней школы.

5.Остаётся неочевидной причина образования иона: захвата нейтральным атомом электрона с превращением последнего в ион. Дидактические возможности объяснения учителя ограничиваются лишь схематическим отражением этого процесса и рассказом о стремлении оболочек атомов к завершенной форме.

6.Сложности возникают при объяснении образования химических соединений с помощью орбитальных моделей: неубедительно выглядит процесс образования химических связей и недостаточно наглядно отражен процесс образования валентных углов.

7.Вводится много понятий, сложных для восприятия учащихся в отрыве от изучения основ квантовой физики и химии: возбуждённое состояние электрона, разнообразные гибридизации орбиталей, перераспределение и смещение электронной плотности.

При обсуждении этих недостатков с учителями химии было выяснено, что проблема качественного усвоения знания о строении вещества учащимися может решаться различными способами:

1)за счёт введения углублённо-профильного изучения учебного материала;

2)модернизацией содержания образования и сокращения объёма материала в результате введения специального дидактического инструментария в виде комплекса с включением новых кольцегранных моделей.

Таким образом, выявлена готовность учителей к использованию новых упрощенных (кольцегранных) видов наглядных моделей, обоснована целесообразность введения их в комплекс моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы.

Исследовательский этап эксперимента преследовал цель оснастить учителя и учащихся дидактическим инструментарием для организации различных видов и форм деятельности педагога и учащихся. Для ознакомления учащихся с информацией, которая связно и целостно отражает строение вещества, особенно важно предоставить в первую очередь информацию учителю, отличающуюся взаимосвязанным изложением различных уровней организации вещества, фрагментарно изложенных в различных разделах учебников и методической литературы.

Таким образом, создан «инструментарий» для работы учителя в областях «дефицита наглядности», продемонстрированы методические приёмы и проверена возможность использования комплекса моделей с включением кольцегранных моделей для демонстрации и проведения практических работ по неорганической и органической химии.

Констатирующий этап эксперимента нацелен на проверку педагогической эффективности влияния комплекса или его отдельных компонентов на качество усвоения учащимися материала.

В данном исследовании применён экспертно-балльный метод определения качества средств и педагогической эффективности средств обучения, разработанный Центром средств обучения Института общего среднего образования РАО.

Оценка качества обучения, в частности педагогической эффективности, при использовании различных компонентов комплекса моделей, включая кольцегранные, осуществляется результатам оценки показателей.

Наибольшую значимость при сравнении педагогической эффективности комплекса (интеграции его отдельных компонентов) имеют, по мнению педагогов - экспертов, следующие четыре показателя:

1.Информативность (соответствие содержанию изучаемого вопроса).

2.Доступность (лёгкость восприятия и способы подачи информации);

3.Затраты времени (на изложение и усвоение материала учащимися);

4.Освоения комплекса (подготовленность учителя к использованию); Для сравнительной оценки качества обучения (педагогической эффективности) выбраны фрагменты информации (информационные блоки), предназначенной для изучения и усвоения учащимися:

1.Модельное представление электрона и его свойств;

2.Взаимодействие электронов в оболочке атома;

3.Образование электронных оболочек;

4.Проверка устойчивости электронных оболочек;

5.Распределение электронов в атоме по оболочкам;

6.Окислительно-восстановительные свойства элементов;

7.Степень окисления и валентность;

8.Изучение разных видов ковалентных связей;

9.Направленность связей.

Оценка качества обучения при использовании компонентов комплекса проводилась способом сравнения эффективности их использования по каждому из показателей.

Для определения оценки (в баллах) каждого показателя вычисляют средний (общий) балл как сумму баллов, делённую на количество пунктов сравнительной оценки качества (информационных блоков в данном случае).

Педагогико - эргономический уровень оценки выявляет приспособленность изделия, то есть его дидактических функций к специфике деятельности учителя и учащихся, реализуемой с помощью разных компонентов комплекса и предлагаемого комплекса в целом.

Показатель освоения комплекса характеризует соотношение подготовки учителя и требований, предъявляемых к нему определённым видом деятельности и спецификой данного вида средства обучения.

Чтобы педагогическая эффективность комплекса была проявлена, учителю необходимо предварительно «освоить» средство обучения: познакомиться с ним, овладеть способами его применения, приобрести умения и навыки его использования.

Педагогическая эффективность средства обучения или комплекса зависит от степени удобства и простоты использования. Этот показатель позволяет судить о возможности использования комплекса в процессе изучения курса химии средней школы.

Как видно из таблицы кольцегранные модели попадают в область положительного влияния по различным критериям, кроме показателя освоенности, что закономерно, поскольку модели эти только начинают использоваться в педагогической практике.

Электронные схемы, скелетные и масштабные модели не попадают в область положительных значений по причине узкой направленности их использования. С их помощью не удаётся проиллюстрировать весь материал, предназначенный для изучения, поэтому оценки некоторых показателей (информационных блоков), по которым проводился анализ, отсутствуют, то есть, оценены как «0». Узкая направленность использования моделей этих сильно занижает их средний балл, и тем самым указывает на необходимость использования комплекса, с помощью которого достигается интегративность.

Компоненты, составляющие комплекс дополняют друг друга и не всегда используются одновременно при изучении определённых аспектов знания (фрагментов информации). Наиболее эффективное восприятие информации достигается использованием в каждом конкретном случае (при изучении различных фрагментов информации) наиболее подходящих компонентов комплекса, характеризующихся наивысшими показателями педагогической эффективности.

Экспериментальная проверка показала, что ни одна из моделей не способна конкурировать с комплексом. Применение комплекса по всем показателям имеет положительные значения. Меньшие значения показателя освоенности указывают на необходимость наличия, освоения и более широкого использования демонстрационных и раздаточных моделей в курсе химии средней школы.

Опрос учащихся с целью выяснения целостности и сформированности знания проводился в школе №1679 в 9-х и 10-х классах. При проведении опроса внимание уделялось пониманию закономерностей формирования электронных оболочек, усвоенных с помощью использования кольцегранных моделей и обучающей компьютерной программы «Глобус атома», а также возможность использования полученного знания с прогностическими целями. Пилотный опрос показал высокое качество знаний учащихся и лёгкость его использования при ответе на вопросы проблемного характера.

Пилотный опрос бывших учащихся школы № 1100, в которой строение вещества преподавалось в 9-11-х классах с использованием фрагментов комплекса, включающего кольцегранные модели, проводился с целью проверки долгосрочного сохранения знания. Бывшие школьники по прошествии 3 лет по окончании школы способны ответить на ряд вопросов, касающихся электронного строения атома и формирования молекулярных электронных оболочек химических соединений. Долгосрочное сохранение знаний объясняется формированием долгосрочной образной памяти, сохраняющей простые, эстетически приятные и информационно ёмкие образы. Упрощённое понимание двойственности свойств электрона и наличия у него свойства спин с помощью кольцегранных моделей позволяет сохранять знание как органически вплетённое в мировые закономерности, окружающие человека в любой области его деятельности.

Возможности использования кольцегранных моделей существенно раздвигают границы использования комплекса моделей в изучении химии и проведения модельных экспериментов.

Выводы к главе 3.

1.Разрыв между принятым базовым уровнем обучения классов общеобразовательной школы и существующей необходимостью изучения физики и химии в свете современных научных представлений о строении атома, идейная несовместимость моделей молекулярных орбиталей с более простыми традиционными моделями приводит к необходимости приведения содержания в соответствие с принципами не только историчности, но и научности, фундаментальности, адаптивности и технологичности. Взаимная противоречивость моделей в базовом обучении приводит к парадоксальности знания. 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 спиралей) позволяет её использовать и в классах углубленного изучения.

2.Кольцегранные модели могут использоваться на протяжении преподавания всего курса химии, с самого начала изучения Периодического закона. Использование наглядных моделей предусмотрено для широкого круга тем: "Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение атома. Строение веществ".

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

4.Предложены различные методические приемы использования новых моделей в основных темах курса химии 8-11 классов: предусмотрено использование новых моделей для демонстраций; использование ознакомительных видеоматериалов и проведение компьютерных уроков; предложено проведение фронтальных работ, а также лабораторных и практических работ в виде модельных экспериментов проводимых учащимися самостоятельно или в составе коллектива.

5.Кольцегранные модели, объединяя в себе достоинства и электронных схем и орбитальных моделей, предоставляют новые дидактические возможности в виде проведения модельных экспериментов, для проведения которых разработаны образцы технологических карт для учащихся, а также таблицы по теме «Строение вещества» и методические рекомендации для учителей.

6.Рассмотрено примерное тематическое планирование материалов программы, организационные формы и методические приёмы изложены в виде таблицы.

7.Подготовленное таким образом использование новых - кольцегранных моделей позволяет перевести обучение на новый уровень восприятия информации: образно-наглядно-действенный.

Выполненное исследование имеет теоретико-практический характер и направлено на решение проблемы создания научно обоснованной системы учебных моделей и способов её эффективного использования в школе.

1.Проведен анализ содержания курса химии 8-11 классов и определены тенденции создания и использования учебных моделей атомов и молекул для курса химии средней школы. Показана роль моделей как инструмента деятельности учителя и ученика при изучении раздела «Строение вещества». На основе анализа фонда демонстрационных средств обучения и учебного оборудования для самостоятельных работ выявлена необходимость создания моделей нового поколения, позволяющих избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания, моделей, создающих ясный образ распределения электронов в каждом атоме или молекуле по электронным оболочкам.

2.Сформулированы теоретические положения создания и применения системы учебных моделей для обучения химии, представленные в виде педагогико-эргономических требований к моделям. Разработан комплекс учебных моделей, включающий новые кольцегранные модели, дополняющие традиционно используемые в курсе химии средней школы. Определен компонентный состав моделей для изучения курса химии по разделу «Строение вещества. Химическая связь». С целью адаптации научных знаний предложены разные виды кольцегранных моделей, используемые как инструмент деятельности учащихся, без которого затруднено восприятие учебного материала и усвоение его научного содержания.

3. Разработана методика использования комплекса наглядных моделей (с включением кольцегранных) в школьном курсе химии средней школы, предусмотрена возможность проведения с их помощью модельных экспериментов в форме демонстраций, лабораторных и практических работ. Для удобства и простоты использования комплекса моделей с встроенными компонентами новых средств и технологий, предусмотрено первичное ознакомление учащихся с помощью видео-демонстрации и проведения компьютерных уроков. Разработаны дидактические видеоматериалы и компьютерные программы для обучения с использованием новых кольцегранных моделей не только для демонстраций, но и для проведения процессов моделирования учащимися в разных организационных формах занятий (индивидуальных и групповых), что позволяет перевести обучение на новый уровень восприятия информации - образно-наглядно-действенный. Проведённая экспериментальная проверка педагогической эффективности использования комплекса моделей атомов и молекул в школьной практике подтвердила гипотезу данного исследования.



Список литературы

1.Bergman D.L. Spinning Charget Ring Model of Elementary Particles // Galilean Electrodinamics, 1991. - vol. 2. - №2. - Р. 30-32.

2.Bergman David.L. and Lucas J., Charles W. Physical Models for Elementary Particles, Atoms and Nuclei / Presentedat IVth International Conference: Problem of Space, Time and Motion. - St. Petersburg, September 1997.

3.Lucas J. A Physical Model for Atoms and Nuclei //Galilean Electrodinamics, January/February 1996. - vol.7, - №1, Р. 3-12.

4.Snelson K. Portrait of an atom / Exhibition booklet. Baltimore's Maryland Science Center, 1981.

5.Аркавенко Л. Н. Методические основы создания и использования системы приборов и установок для факультативного курса «Химия в промышленности»: диссертация к.п.н. (13.00.02) - Москва 1991. - 218с.

6.Ацюковский В. А. Общая эфиродинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 70с.

7.Беклямишев В.О. Теория вакуума. Ч.1.- СПб.:ООО "Конгресс", 1998. -

104с.

8.Бердоносов С. С. Как объясняет строение молекул модель Р. Гиллеспи? // Химия в школе, 1996. - №2. - С. 16-21.

9.Бердоносов С. С. Учебники по химии: традиционные заблуждения и современность // Химия в школе, 2000. - № 5. - С. 22-27.

10.Болтянский В. Г. Формула наглядности - изоморфизм плюс простота // Сов. Педагогика, 1970. - № 5.

11.Бородин П. В. Наш подход к изучению строения метана, этилена и ацетилена //Химия в школе, 1991. - № 6. - С.40-41.

12.Булавин Ю. И. Динамические модели электронных облаков // Химия в школе, 1995. - №4. - С. 69-70.

13.Бунин В. А. Математика и трудности физики // Сознание и физическая реальность. - М.: изд. Фолиум, 1997. - т. 2. - № 2. - С. 71-79.

14.Ванюгина Т. В., Миллиареси Е. Е. Факультативный спецкурс «Пространственное и электронное строение органических соединений» // Химия в школе, 1988. - № 4. - С. 43-44.

15.Верховский В. Н. И Смирнов А. Д. Техника химического экперимента. Пособие для учителей. - т. 1, изд. 6-е, переработанное - М., Просвещение, 1975. - 368с.

16.Верховский В. Н. И Смирнов А. Д. Техника химического экперимента. Пособие для учителей. - т. 2, изд. 6-е, переработанное - М., Просвещение, 1975. - 383с.

17.Виноградова Н. К. Организационно-педагогические основы проектирования предметно образной среды учебного комплекса «детский сад - школа»: текст диссертации к.п.н. (13.00.02) - Москва 1999. - 313с.

18.Власов А. Д. Атом Шредингера // УФН, 1993. - № 2. - т. 163. - С. 97-103.

19.Власов А. Д. Классическое направление в квантовой механике. - М.: МРТИ РАН, 1993. - 229с.

20.Габриелян О. С., Смирнова Т. В. Изучаем химию в 8 классе: Методическое пособие к учебнику Габриеляна О. С. Химия - 8 для учащихся и учителей. Дидактические материалы. / Под общ. ред. Т. В. Смирновой. - М.: Блик плюс, 1997. - 224с.

21.Галиулин Р. В. Лекции по геометрическим основам кристаллографии: Текст лекций. - Челябинск: Урал. Гос. Ун-т, Челяб. гос. ун-т, 1989. - 81с.

22.Гапич Г. П. Интегрированный урок повторения и обобщения знаний // Химия в школе, 1998. - № 7. - С. 26-28.

23.Гаркунов В. П. Методика преподавания химии / Под ред. Н. Е. Кузнецовой. - М.: Просвещение, 1984. - 415с.

24.Гейзенберг В. Физика и философия. - М.: Наука, 1989. - 400с.

25.Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 21-е изд. / Под ред. Рабиновича В. А. - Л.: Химия, 1980. - 720с.

26.Голубев И. М., Аверин А. В. Изображение а и п-связей на одном рисунке // Химия в школе, 1990. - № 2. - С.39.

27.Голубев И.М. О понятии «электронное облако» // Химия в школе, 1980. -

№5. - С.36.

28.Грабецкий А. А., Зазнобина Л. С., Назарова Т. С. Использование средств обучения на уроках химии. - М.: Просвещение, 1988. - 160с.

29.Грабецкий А.А., Назарова Т.С., Лаврова В.Н. Химический эксперимент в школе. - М.: Просвещение, 1987. -240с.

30.Гузей, Л. С., Сорокин В. В., Суровцева Р. П. Строение атома и химическая связь // Химия в школе, 1988. - № 2. - С. 46-51.

31.Гузей, Л. С., Сорокин В. В., Суровцева Р. П. Строение атома и химическая связь // Химия в школе, 1988. - №3. - С. 42-48.

32.Гузик Н. П. Обучение органической химии: Книга для учителя: Из опыта работы. - М.: Просвещение, 1988. - 224с.

33.Давыдов В. В. Виды обобщения в обучении. Логико-психологические проблемы построения учебных предметов. - М.: Педагогика, 1972. -

424с.

34.Давыдов В. В. Проблемы развивающего обучения: Опыт теоретических и экспериментальных психологических исследований. - М.: Педагогика, 1986. - 240с.

35.Давыдов В. В. Теория развивающего обучения. - М.: ИНТОР, 1996. - 544с.

36.Давыдов В. В., Варданян А.У. Учебная деятельность и моделирование. - Ереван: Луйс, 1981. - 220с.

37.Дайнеко В. И. Лекция «Теория строения. Углеводороды: связь строения со свойствами»// Химия в школе, 1988. - №1. - С.36-43.

38.Дидык Ю. К., Уразаков Э.И. Сборник проблемных лекций по физике: Учебное пособие. - ВВВСКУ: Дубна, 1990. - 62с.

39.Дризовская Т.М. Методика обучения химии в 9 классе. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1965. - 224с.

40.Дроздов С. Н. Тетраэдрическая модель и её использование // Химия в

школе, 1982. - № 3. - С.52-54.

41.Дуков В.М. Два века работы над школьным учебником физики // Проблемы школьного учебника. - М.: Просвящение, 1990. - вып.19, сост. В. Р. Рокитянский. - С. 236-269.

42.Егорова А. А. О взаимосвязи курсов естествознания и химии // Химия в школе, 1995. - № 1. - С.30-31.

43.Загорский В. В. «Вальдорфское» преподавание химии // Химия в школе, 1995. - № 3. - С.10-13.

44.Зайцев О. С. Общая химия. Состояние веществ и химические реакции. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1990. - 352с.

45.Зайцев О. С. Методика обучения химии. - М.: ВЛАДОС, 1999. - 384с.: ил.

46.Занков Л.В. Избранные педагогические труды. - М.: Новая школа, 1996.

-426с.

47.Зелинский А.Н. Академик Н.Д.Зелинский (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Химия», № 11). - М.: Знание, 1981. - 64с.

48.Зинченко В.П., Мунипов В.М. Основы эргономики. - М.: изд-во МГУ, 1979. -343с.

49.Зорина Л.Я. Системность - качество знаний. - М.: Знание 1976. - 64с.

50.Иванова Р. Г. Об изучении химии в 7 и 8 классах // Химия в школе, 1981.-№ 4. - С.24-29.

51.Иванова Р. Г. Об основных направлениях обновления химического образования при переходе к двенадцатилетней школе // Химия в школе, 2000. - № 3. - С. 2-5.

52.Канарев Ф.М. Кризис теоретической физики. - Краснодар КГАУ, 1998. - 200с.

53.Качалова О. И. Методические основы организации школьного практикума по общей химии (11 класс): автореферат на к.п.н. (13.00.02) - Омск: ОГПУ, 1998. - 20с.

54.Кидд Р., Ардини Дж., Антон А. Представление эффекта Комптона в качестве двойного доплеровского сдвига // Физика за рубежом: Преподавание. - М.: Мир, 1988. - С. 68-79. Перевод статьи Kidd R., Ardini J., Anton A. - Amer. J. Phys., 1985. -v 53. - № 7. - p.641.

55.Кийранен К. Атомно - молекулярные модели // Химия в школе, 1995. - № 5. - С. 55-56.

56.Кожевников Д. Н. Кольцегранные модели молекул // Журнал физической химии, 1996. - т. 70. - № 6. - С. 1134-1137.

57.Кузнецова Л. М. Наш опыт изучения темы «Химическая связь. Строение вещества в курсе химии 8 класса» // Химия в школе, 1982. - № 6. - С. 39-42.

58.Кузнецова Н. Е. Формирование систем понятий при обучении химии. - М.: Просвещение, 1989. - 144с.

59.Леонов В. С. Теория упругой квантованной среды. - Ч. 2. - Минск: изд-во "ПолиБиг", 1997. - 122с.

60.Лихачев Б. Т. Педагогика. Курс лекций. Учебное пособие для студентов пед. Учебн. Заведений и слушателей ИПК и ФПК. - М.: Прометей, 1992. - 528с.

61.Логунов А. А. К работам Анри Пуанкаре «О динамике электрона». - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 103с.

62.Лоренц Г. А. Теория электронов и её применение к явлениям света и теплового излучения. - М.: Гостехиздат, 1953. - 472с.

63.Лоренц Г.А. Старые и новые проблемы физики. - М.: Наука, 1970. - 264с.

64.Ляшенков Е. И., Гатаулин А. Г. Использование схем гибридизации электронных облаков атома углерода // Химия в школе, 1982. - № 5. - С.

41-42.

65.Макареня А.А. Теория и методика обучения химии. Избранные труды. - т. 2. - Тюмень: ТОГИРРО, 2000. - 335с.

66.Маурина И. Я., Липина Г.Н. Некоторые приемы использования моделей на уроках // Химия в школе, 1986. - № 3. - С. 51-53.

67.Медведев Ю. Н. Явление вторичной периодичности // Химия в школе, 1998. - № 3. - С. 9-19.

68.Методические рекомендации о преподавании химии в 1986/87 учебном году // Химия в школе, 1986. - № 3. - С. 23-27.

69.Методические рекомендации по обучению химическим дисциплинам и методике преподавания химии / Под ред. Г. М. Чернобельской. - М.: МГПИ, 1987. - 101с.

70.Минченков Е.Е. Концепция химического образования в школе // Химия в школе, 1993. - № 4. - С. 7-11.

71.Михайлова И. Б. Чувственное отражение в современном научном познании. - М.: Мысль, 1972. - 277с

72.Назарова Т. С. Теоретические основы создания и использования системы материальных средств обучения химии в средней школе. Диссертация на соискание ученой степени д.п.н. (13.00.02) - Москва: НИИСМО, 1988. - 42с.

73.Назарова Т.С., Полат Е. С. Средства Обучения: технология создания и использования. - М.: Изд-во УРАО, 1998. - 204с.

74.Нейланд О.Я. Органическая химия: Учеб. для хим. спец. Вузов. - М.: Высш. Шк., 1990. - 751с.

75.Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учебное пособие для студентов педагогических вузов и системы повышения квалификации педагогических кадров / Под ред. Е. С. Полат. - М.: Изд. центр Академия, 1999. - 224с.

76.Нурминский И. И. Физика - 11. Учебник для школ и классов с углубленным изучением физики. - М.: НТ-Центр, 1993. - 160с.

77.Нурминский И. И., Гладышева Н. К. Физика - 9: Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 1998. - 256с.

78.Обучение химии в 7 классе: Пособие для учителя./ А. С. Корощенко, П. Н. Жуков, М. В. Зуева и др./ Под ред. А. С. Корощенко. - М.: Просвещение, 1988. - 160с.

79.Общая методика обучения химии. Пособие для учителей./ Под ред. Л. А. Цветкова. - М.: Просвещение, 1982. - 223с.

80.Оганян Х. Что такое спин?// Физика за рубежом: Преподавание. - М.: Мир, 1988. - С. 68-79. Перевод статьи Ог1атап H. C. - Amer. J. Phys., 1986. - v. 54. - № 6. - p.500.

81.Органическая химия / Под ред. Тюкавкиной Н. А. - М.: Медицина, 1989. - 432с.

82.Осидак В.Н. Электрон: внутренняя структура// Физическая мысль России, - М.: РИА "Кречет", 1996. - № 2. - С. 49-59.

83.Педагогика: Учебное пособие для студентов пед. Ин-тов / Ю. К. Бабанский, В. А. Сластенин, Н. А. Сорокин и др./ Под ред. Ю. К. Бабанского. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Просвещение, 1988. - 479с.

84.Перечни учебного оборудования для общеобразовательных учреждений России. - Н. Новгород: Нижполиграф, 1994. - 309с.

85.Пидкасистый П. И. Самостоятельная познавательная деятельность школьников в обучении: Теоретико-экспериментальное исследование. - М.: Педагогика, 1980. - 240с.

86.Пидкасистый П. И., Портнов М. Л. Искусство преподавания: Второе издание. Первая книга учителя. - М.: Педагогическое общество России, 1999. - 212с.

87.Плахов И. А. Использование фланелеграфа при изучении темы «Первоначальные химические понятия» // Химия в школе, 1995. - № 2. - С. 46-47.

88.Полосин В. С., Ширина Л. К. Теория и практика использования динамических средств наглядности в обучении химии / Проблемы методики преподавания химии в средней школе. Под ред. М. П. Кашина и Л. А. Цветкова. - М.: Педагогика, 1973. - 272с.

89.Полосин В.С. Диссертации по методике обучения химии // Химия в школе, 1980. - № 1. - С. 74-77.

90.Потапов Ю. С., Фоминский Л. П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. - Кишинев - Черкасы: «ОКО - Плюс», 2000, - 387с.

91.Пугал Н.А. Создание и использование системы средств обучения биологии в общеобразовательной школе. Диссертация, 1994.

92.Рентгеновские микроскопы// В мире науки. - М.: Мир, 1991.- № 4. - С.36- 43.

93.Родина Н.А. Самостоятельная работа учащихся по физике в 7-8 классах средней школы: Дидактические материалы /Гутник У.М, Кириллов И.Г., Родина. Н.А / под ред. Н.А. Родиной. - 2-е изд. - М.: Просвещение, 1994. - 126с.

94.Ромазанов Б. И. Физика эфира и природа сил / Проблемы пространства, времени, тяготения: Материалы третьей Межд. конф. 22-27. 05.94. -СПб.: изд-во Политехника, 1995. - С. 175-185.

95.Ромашина Т. Н., Чернобельская Г. М. Закрепление знаний по органической химии с помощью опорных схем и тренировочных упражнений // Химия в школе, 1985. - № 4. - С. 39-40.

96.Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Неорганическая Химия. Учебник для 8 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1993. - 158с.

97.Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Неорганическая Химия. Учебник для 9 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1990. - 176с.

98.Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая Химия: Основы общей химии (Обобщение и углубление знаний). Учебник для 10 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1991. - 160с.

99.Садовская И. Л. Методика коррекции усвоения знаний в процессе обучения биологии в педагогическом вузе: текст диссертации к.п.н. (13.00.02) -Красноярск: КГПУ, 2000. - 151с.

100.Сапогин Л. Г. Наглядный микромир. - Техника молодежи, 1989. - № 1. - С. 40-45.

101.Симон Р. Эксперимент в химическом познании // Эксперимент, модель, теория. Наблюдение, эксперимент, практика. - Москва-Берлин: изд-во Наука, 1982. - С. 76-87.

102.Скаткин М. Н. Методология и методика педагогических исследований. В помощь начинающему исследователю. - М.: Педагогика, 1986. - 152с.

103.Скаткин М. Н. Проблемы современной дидактики. 2-е изд. - М.: Педагогика, 1984. - 96с.

104.Смирнова Ж. И. Изготовление шаростержневых моделей // Химия в школе, 1984. - № 1. - С. 61.

105.Смирнова Т. В. Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии: Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1984. - 175с.

106.Смирнова. Т. В. К методике изучения раздела «Общая Химия» // Химия в школе, 1989. - № 4. - С. 35-44.

107.Сологуб А. И. Изготовление и применение магнитных моделей // Химия в школе, 1985. - № 3. - С. 55-56.

108.Соломон Д. Н., Степанов Е. Ю. Дидактический материал к магнитной доске//Химия в школе, 1982. - № 1. - С. 65.

109.Суровцева Р. П. Задания для самостоятельной работы по химии в 9 классе: Книга для учителя. - М.: Просвещение, 1995. - 64с.

110.Суровцева Р. П., Софронов С. В. Задания для самостоятельной работы по химии в 8 классе: Книга для учителя. - М.: Просвещение, 1993. - 96с.

111.Суровцева. Р. П.; Минченков Е. Е.; Габриелян О. С. Примерное тематическое планирование учебного материала по химии для 8 класса // Химия в школе, 2000. - № 3. - С. 37-46.