Компьютерные модели микромира

Объектами для моделирования на уровне микромира являются атомы, ионы, молекулы, кристаллические решетки, структурные элементы атомов. На уровне микромира моделируются особенности строения вещества, взаимодействия частиц, из которых состоит вещество. Для моделирования химических реакций на уровне микромира большой интерес представляют механизмы протекания химических процессов. А в моделях физико-химических процессов рассматриваются процессы, происходящие на электронном или атомно-молекулярном уровне.

Понятно, что УКМ, моделирующие модели микромира, становятся отличными помощниками при изучении строения атомов, типов химической связи, строения вещества и т.д.[23].

Модели атомов 1 – 3 периодов периодической таблицы Менделеева реализованы в программе «1С: Репетитор. Химия» в виде моделей атома Бора. Более современные представления о строении атома реализованы в программе ChemLand, где рассматривается распределение электронов по энергетическим подуровням атомов элементов и вид отдельных орбиталей на различных энергетических уровнях.

Особый интерес представляет программа HyperChem. Она представляет собой одну из основных профессиональных программ для теоретического расчета различных термодинамических и электронных параметров молекул. С ее помощью оказывается возможным строить пространственные модели различных соединений, изучать особенности их геометрического строения, определять форму и энергию молекулярных орбиталей, характер распределения электронной плотности, дипольный момент и т. д. Все выходные данные предоставляются в виде цветных рисунков, которые затем можно распечатать на принтере, получая качественное изображение химических соединений в требуемых ракурсах и проекциях. Достоинством программы является возможность рассмотреть молекулу с разных сторон, ознакомиться с особенностями ее пространственного строения. Это представляется чрезвычайно важным, поскольку, как показывает практика преподавания, у учеников обычно не формируется представления о молекулах как о пространственных структурах. Традиционное изображение химических веществ в одной плоскости приводит к потере целого измерения и не стимулирует развития пространственного воображения[13].

В мультимедийном курсе «Химия для всех» используется программа – стереодемонстратор молекул. Она позволяет предоставлять объемные изображения молекул, состоящих из атомов водорода, кислорода, углерода и азота. Для демонстрации используют каркасные модели молекул. Модели можно перемещать, поворачивать, демонстрировать одновременно изображения нескольких различных молекул. Программа позволяет создавать новые модели молекул самостоятельно. Всего приведены модели 25 органических молекул, однако дидактическая ценность этих моделей невелика, так как предоставлены модели достаточно простых соединений, которые каждый школьник сможет собрать, используя пластилин и спички.

Демонстрационные орбитально-лопастные трехмерные модели некоторых молекул реализованы в программе «Метод валентных связей: гибридизация атомных орбиталей». А в программе «Природа химической связи» объясняются причины возникновения химической связи на примере образования молекулы водорода из атомов. Обе указанные программы входят в комплект обучающих программ «Химия для всех – 2000».

Интерактивные демонстрационные каркасные модели используются в программах ChemLand – 115 молекул преимущественно органических соединений, и «Химия для всех». У этих двух программ есть свои плюсы и минусы: в программе «Химия для всех» модели можно демонстрировать на полный экран монитора, а в программе ChemLand такой функции нет, однако, в программе представлено большое количество молекул. В программе ChemLand используются динамические модели, демонстрирующие пространственное строение молекул с возможностью измерения валентных углов и длин связей, что позволяет проследить изменение полярности треугольной молекулы в зависимости от типа атомов.

При изучении строения молекул и кристаллов могут быть полезны программы, больше предназначенные для исследовательских целей. Это, например, программа CS Chem3D Pro, которая позволяет создавать, изменять и отображать трехмерную структуру различных молекул. Также полезна программа Crystal Designer, которая предназначена для визуализации трехмерной структуры кристаллической решетки. Эти программы могут быть полезны при создании трехмерных изображений молекул и кристаллов и для их демонстрации на уроках с помощью компьютера.

Программа «Собери молекулу», хотя и уступает по своим возможностям вышеназванным программам, может эффективно использоваться при индивидуальной работе школьников.

Модели физико – химических процессов и механизмов реализованы в программе «Химия для всех». Здесь продемонстрированы неинтерактивные модели по теме «Электролитическая диссоциация»: диссоциация солей, кислот, щелочей, гидролиз солей. В этой же программе реализованы некоторые модели механизмов органических реакций: бромирование алканов, этерификация, общий механизм реакций полимеризации и т.д. Все модели механизмов реакций неинтерактивные, демонстрируются на полный экран, имеют звуковое сопровождение, однако отсутствует текстовое описание происходящих явлений, что существенно ограничивает использование программы.

В онлайновой версии интерактивного учебника для средней школы по органической химии для X – XI классов под редакцией Г. И. Дерябиной, А. В. Соловова представлены обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи, гомолитический и гетеролитический механизмы разрыва ковалентной связи на примере отрыва атома водорода от молекулы метана, процесс sp – гибридизации. Большой интерес представляют интерактивные трехмерные демонстрационные модели органических молекул и механизмов химических реакций: хлорирование метана и общий механизм нуклеофильного замещения. Очень важно, что при работе с моделями можно изменять их положение в пространстве, а для механизма реакции – изменять положение точки наблюдения.

Еще одна программа, демонстрирующая механизмы химических реакций, программа Organic Reaction Animations. Она содержит 34 механизма органических реакций. Причем, каждый механизм представлен в виде четырех вариантов молекулярных моделей: шаростержневой, объемной и двух вариантов орбитально-лопастных моделей. Один из вариантов орбитально-лопастных моделей демонстрирует изменение в ходе реакции внешних орбиталей субстрата, а другой – реагента. Это облегчает наблюдение за изменением внешних орбиталей реагентов в ходе реакции. При необходимости можно воспользоваться теоретическим материалом [13] [23].

1.4.4 Структура и содержание компьютерных моделей в ЭИ

Проанализировав структуру компьютерных моделей в электронных изданиях ведущих разработчиков России можно сказать, что в большинстве электронных изданий по химии используются управляемые и интерактивные компьютерные модели.

Использование табличного формата предъявления информации позволяет предоставить материал в компактной форме и наглядно показывают связи между различными понятиями.

Использование слухового канала восприятия информации одновременно с зрительным значительно повышают производительность обучения.

Тщательная сгруппированность и структурирование информации предопределяют четкое и быстрое усвоение.

Белый или темно – синий фон наиболее хорошо воспринимаемы при изучении материала.

Техническая помощь позволяет совершать адекватные действия при работе с программой, ведь не каждый ученик умеет правильно пользоваться клавиатурой и мышью.

Изменение визуализации модели позволяет правильно и адекватно оценить и изучить модель. В некоторых программах реализованы объемные, шаростержневые, каркасные модели, а также модели Дрединга.

Изменяя размер и удаленность модели, можно рассмотреть ее в разных плоскостях, это повышает наглядность в обучении.

Полноэкранный режим рассмотрения модели обязательно должен присутствовать при изучении моделируемого объекта.

Функции поиска

Можно сделать вывод, что в настоящее время имеется большое число отечественных и зарубежных программных средств обучающего назначения для изучения химии, содержащих в своем составе различные типы учебных компьютерных моделей, однако есть ряд противоречий, сдерживающих использование учебных компьютерных моделей при изучении школьного курса химии:

· Между потребностью практического применения химических компьютерных моделей и недостаточно разработанной методикой их использования в составе различных типов программных средств обучения;

· Между необходимостью разработки методики использования химических учебных компьютерных моделей и мало исследованными особенностями содержания и функциональными возможностями химических УКМ;

· Между потребностью выявления специфики содержания, определения функциональных возможностей химических УКМ и недостаточным вниманием, уделяемым изучению этих аспектов.