« РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИНСТИТУТ СОДЕРЖАНИЯ И МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ (ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ) На правах рукописи ...»
Наряду с положительнымикачествами динамических пособийнеобходимо отметить и некоторые ихнедостатки. Главный из них – невозможностьдлительной демонстрации изображаемогоявления. Статические пособия даютвозможность длительной демонстрацииизучаемого объекта перед учащимися. В этомслучае исходные и промежуточные образыдемонстрируемого пособия не исчезают, чтооблегчает процесс восстановленияпройденного пути рассуждения. Учитываяположительные и отрицательные качестваэтих различных средств наглядности, нельзярезко противопоставлять их друг другу,отрицать одни из них и заменять другими.Наиболее целесообразным является ихоптимальное сочетание в определённыхпедагогических ситуациях [88, с.248]. Болеетехнологичным и современным подходом киспользованию средств наглядностипредставляется использование моделейстатических по характеру, но имеющихчастично динамические функции, а именно,разборные,позволяющие отображать на них процессы,имеющие место в моделируемых объектах.Например, такие химические процессы какобразование молекул из атомов, образованиеионов, потерю или присоединение электронаатомом или молекулой.
Ещё одной особенностьюнаглядных моделей объектов микромираявляется их повышенная тенденция кприобретению новых свойств, качеств илиособенностей. Это связано с тем, чтоточного представления объектов микромира– атомов имолекул пока нет, а способы их отображенияпродолжают меняться и совершенствоваться.В более общем виде это сформулировано Б. Т.Лихачевым: «Главное противоречиеформирования содержанияобщеобразовательной школы состоит в том,что количество новой научной, технической,культурной информации, в свете которойрасширяется, уточняется, пересматриваетсясодержание общего среднего образования,постоянно нарастает, а время на еёусвоение, если и не уменьшается, тоостается неизменным. Поэтому педагогикаисходит из необходимости созданиястабильной системы основ наук, еёпостоянного совершенствования, заменыустаревших обобщений новыми, болееполными, более ёмкими» [60, с. 327]. Поэтому киспользуемым моделям атомов и молекулследует предъявлять дополнительныеспецифические требования. Модели должныиметь возможность взаимосовместимости, тоесть предоставлять возможности длясоздания развивающихся, сменяющих другдруга образов, сопровождающих процесспознания от простого к сложному. Этокачество можно сформулировать какперспективность, возможность развития игибкой адаптации к новым моделям.Перспективность, как дидактическаяфункция, заключает в себе возможностьразвития и совершенствования наглядныхмоделей и использования их для возвращенияк рассмотрению ранее изученного материалана новом, более сложном уровне,иллюстрирующимся более сложными,развёрнутыми моделями.
Рассмотрим, какудовлетворяет общим и специфическимпедагогико-эргономическим требованиямпредложенная модель электрона в видетонкого тора, или кольца и обладают линовыми дидактическими возможностямиполучаемые с её помощью кольцегранныемодели атомов и молекул.
Модель электрона в видетонкого тора, или кольца, позволяетизображать электронные оболочки атомов ввиде кольцегранников. Их построениенаглядно демонстрирует принцип Паули, таккак каждый электрон занимаетиндивидуальное место в оболочке. Ихгеометрически различное расположение этодемонстрирует, объясняя магнитноерасщепление спектральных линий различнойориентацией образующихся в моментизлучения диполей “ядро - электрон”. Такжеотпадает необходимость постулироватьправила Бора. Наглядность кольцевой моделиэлектрона, локализованного в атоме,позволяет представлять постулаты в видеочевидных свойств, проявляемых электрономв атоме. Эти свойства не требуютпостулирования - достаточно описания идемонстрации. Частицы, находящиеся встационарном состоянии, изображаютсяпокоящимися кольцами, и представляют собойволновые процессы, локализованные, илизаключенные, в пределах эквипотенциальнойповерхности. А любые перемещения заряда впределах эквипотенциальной поверхности,то есть без изменения потенциала, неприводят к совершению работы и не должнысопровождаться излучением. Излучениепроисходит только при переходе из одногостационарного состояния в другое,характеризующееся другим потенциалами идругим, соответствующим ему,энергетическим уровнем.
При использованииматериальной модели электрона в видекольца, модель электронных оболочеквыглядит кольцегранником, состоящим изчисла колец, равного числу электронов (рис.1, 2, 3, 4, 5). Двухцветные модели завершенныхатомных оболочек своей симметрией ичередованием цветов (обозначающихнаправление вектора магнитного момента кядру или от ядра) демонстрируют своюустойчивость. Электронные конфигурацииатомов, имеющих две и более электронныхоболочек, моделируются в виде несколькихкольцегранных фигур, вложенных одна вдругую и имеющих общий центр, совпадающий сядром атома (рис. 12).
Наборы для созданиякольцегранных моделей атомов и молекул,как демонстрационные, так и раздаточные,должны позволять моделироватьгеометрическую форму электронныхоболочек, подразумевая наличиеэлектрических и магнитных свойств уэлектронов, изображаемых цветнымикольцами. Окраска моделей, когда она нерегламентирована стандартами и принятымиправилами, должна способствоватьвыделению информативных элементов.Цветовое решение должно соответствоватьпсихофизиологическим особенностямвосприятия. Кроме того, окраска отдельныхчастей модели должна быть аналогичнацветам в других средствах, используемыхпри изучении учебного материала. Наиболеепредпочтительны для цветового кодированияследующие цвета: фиолетовый, голубой,зеленый, желтый, красный. Модели должныбыть изготовлены из материалов,сохраняющих форму и окраску в течениесрока эксплуатации не менее 8 лет.Предпочтительны синтетические полимеры,не выделяющие токсических веществ [91].Набор изготавливается из стойкихпластмасс основных рекомендованныхцветов.
В условиях развитиясистемы средств обучения, включающейкомпьютерные технологии, используемыемодели должны иметь возможность бытьпредставленными в виде компьютерныхпрограмм и динамических видеообразов(компьютерных фильмов или слайдов). Бурноеразвитие компьютерной графики и легкостьполучения на экране информации в видепсевдо-трёхмерных образов приводит кизбалованности сознания и избирательностивнимания. В таких условиях для удержаниявнимания на предмете обучения необходимосоздание ярких, взаимосвязанных, быстроразвивающихся образов. Образная модельявляется посредником между чувственновоспринимаемыми объектамидействительности и смыслом, значением,понятой сущностью их [142]. Образное мышлениепозволяет увеличить объем усваиваемойинформации за счет использованияразвивающихся, сменяющих друг другаобразов, сопровождающих процесс познанияот простого к сложному.
Компьютерноемоделирование позволяет добиться высокойскорости смены информационно насыщенныхобразов, стимулирующих умственнуюдеятельность. Но компьютерные модели покане могут полностью заменить материальныемодели. Осязательные ощущения ивозможность проведения самостоятельных ипрактических работ по сборке и манипуляцииматериальными моделями остается наиболеедейственным способом обучения, которыйне может быть заменён на компьютерноемоделирование. Сильной сторонойиспользования компьютерных моделейявляется лёгкость и возможность быстрогоповторения изученных материалов. Этоделается представлением ранее изученныхматериалов –образов моделей, обобщая и дополняякомплекс обучающих моделей, чем испособствует поставленной цели:формированию целостного знания о строениивещества.
Простота демонстрацииустойчивости электронных оболочек в видекольцегранников позволила реализоватьэкспериментальную компьютерную программудля обучения строению атома и изученияПериодического закона и Периодическойсистемы химических элементов Д.И.Менделеева. Эта обучающаякомпьютерно-графическая программа“Глобус атома” содержит элементы игры ипредназначена для использования в 8-10классах средней образовательной школы. Онасделана под оболочкой «Windows» иадаптирована к различным побыстродействию персональным компьютерам,в зависимости от комплектации школьныхкомпьютерных классов.
Обучающаякомпьютерно-графическая программа“Глобус атома” состоит из двухчастей.
Часть 1 знакомитучащихся с устойчивостью электронныхоболочек.
Пользователюпредлагается выбрать количествоэлектронов из предложенного ряда от 1 до32-ух, из которых будет составлена модельэлектронной оболочки. После выбора наэкране появляется изображениесоответствующего кольцегранника вконтурных линиях. Пользователюпредлагается «раскрасить» кольцеграннуюмодель электронной оболочки в два цветатаким образом, чтобы оболочка «неразвалилась» при ее проверке на «магнитнуюустойчивость». Использование двух разныхцветов подразумевает наличие у колец,моделирующих электроны, двух различныхспособов расположения в оболочке,связанных с наличием у электрона магнитныхсвойств (спин –характеристики «+» или «»). Проверкаправильности раскрашиванияосуществляется автоматически по окончаниивыбора цветов.
Для правильного выборацвета необходимо соблюдать правилачередования магнитных свойств (спин – характеристик)электронов в оболочке, что отражаетсяразличными цветами колец, участвующих вобразовании кольцегранника, моделирующегоэлектронную оболочку.
Симметричностькольцегранной фигуры, моделирующейэлектронную оболочку, является одним изкритериев устойчивости оболочки.
Если пользовательубежден, что он не только правильнорасставил цвета колец в оболочке, но иверно выбрал число электронов, из которыхсостоит симметричная оболочка, он можетпровести проверку оболочки наустойчивость.
В случае ошибкиоболочка разрушается, вращаясь вокруг оси,относительно которой она не являетсясимметричной. Затем следует предложениеповторить попытку. Предусмотрен режимдемонстрации правильно собранныхэлектронных оболочек: демонстрируетсявращение устойчивых оболочек в видекомпьютерной мультипликации.
В части 2. «Глобус атома»проводится сборка электронного глобусаатома.
Предлагаетсяраспределить все электроны выбранногоатома по разным уровням, или возможнымоболочкам с учетом заряда ядра.
При наборе электроновна каждую оболочку на экране идетдемонстрация ее заполнения.
После окончанияраспределения электронов по оболочкампредоставляется время для размышлений иисправлений до выбора команды “проверка”.
В случае неправильнойсборки происходит демонстрацияперестроения электронных оболочек -переходов электронов на другие уровни иправильное их распределение по оболочкам.По окончании демонстрации верногораспределения электронов задачапредлагается снова: информация оправильном распределении электроновскрывается для предоставления учащимсявозможности самостоятельно распределитьэлектроны по оболочкам.
Предусмотренапоказательная демонстрация правильнойсборки одного сложного атома – радона (Ra). Поокончании правильной сборки какого-либоатома, в качестве приза и факта окончанияработы идет непрерывная демонстрацияправильной “сборки - разборки” вернособранного элемента.
Для удобства оценкирезультативности работы учеников в обеихчастях программы предусмотрен счетчиквремени работы и запись лучших результатови фамилий исполнителей.
Работа с обучающейкомпьютерной графической программой“Глобус атома” проводилась в УВК №1679 втечение двух учебных сезонов 1995-96 годови 1996-97 годов с учащимися 8 –11 классов.
Компьютерная программа«Глобус атома» не охватывает всегоматериала курса физики и химии и поэтомупредставляет собой лишь частькомпьютерной поддержки курса, касающегосяэлектронного строения атома в видекольцегранников.
Существенным вкольцегранных моделях являетсявозможность демонстрации процесса потериэлектронами в электронных оболочках своейиндивидуальности и их объединение в общийдля всей оболочки атома процесс волнэлектронной плотности. Процессобобществления электронов можнорассмотреть на примере самой устойчивойоболочки из восьми электронов. Впредлагаемой модели под термином “волнаэлектронной плотности” подразумеваетсяне некоторая неопределенная величина типа“плотности вероятности” нахождения всегоэлектрона в определенной области, аопределенная форма волнового процесса,составляющего общую электронную оболочкуи каждый электрон в отдельности.
Модель оболочки извосьми электронов можно исполнить двумяспособами. Первый - это сборка фигуры изчетырех колец одного цвета и четырехдругого (рис. 2). Второй - та же форма, но извосьми пестрых колец. В ней все кольцатрехцветные, а фрагменты колец каждогоцвета составляют замкнутые изогнутыелинии, огибающие по максимальному радиусувсю электронную оболочку. Каждая изчетырех замкнутых линий своего цветапредставляет собой изогнутое кольцо,деформация которого соответствует наличиюв кольце трех длин волн. Эти цветные линиирасположены симметрично относительногеометрического центра фигуры, в которомдолжно находится ядро атома (рис. 13). Этилинии геометрически изображаютэлектронные волны оболочки, или волныэлектронной плотности, соответствующиеволновым уравнениям для четырех парэлектронов оболочки. Каждая параобразуется электронами с различнымизнаками спин характеристик.
Такая модель нагляднопоказывает причину стремления любогоатома к завершению электронной оболочки.Причина - это замыкание самих на себяэлектрических потоков, создающихэквипотенциальную поверхность. Этимдостигается их стационарность иотсутствие излучения электромагнитнойэнергии. Это принципиально важно дляобъяснения таких «необъяснимых с точкизрения электродинамики» процессов какзахват нейтральным атомом электрона споследующим превращением атома в ион.
Демонстрацию замыканияне только электрических, но и магнитныхсиловых линий можно провести с помощьюконструкционного набора “Магеом”. Дляэтого используется кольцегранник избазовых колец: кольца обозначают электроныоболочки, а совмещаемые с ними спиральныезамкнутые линии обозначают магнитныесиловые линии электронов (рис. 14). Спирали,символически изображающие магнитныесиловые линии электронов (также как иэлектрические, рассматривавшиеся ранее),могут быть обобществлены, включаясь вобщий для всей оболочки стационарныйпроцесс. Символически это может бытьпоказано одной линией, обвивающей всюэлектронную оболочку (рис. 15).
Рассмотрим возможностьдемонстрации "электроотрицательности" или"сродства к электрону" на примере такогопроцесса как захват электрона атомомгалогена. Захват галогеном, имеющего навнешней оболочке семь электронов, восьмогоэлектрона, которого не хватает дозавершения оболочки, ранее лишьдекларировался из-за затруднениякорректного объяснения и нагляднойдемонстрации. На модели (рис. 16) видно какмагнитные силовые линии соседних колец -электронов создают вокруг вакантногоместа в оболочке галогена конфигурациюмагнитного поля, аналогичную той, котораясоздается вокруг каждого электрона. Такимобразом, электронами создается “магнитнаяловушка”, в которую "попадает" свободныйили слабосвязанный электрон из окружения.Аналогичным способом с использованиеммодели кольцевого электрона срасширенными дидактическими свойствами(электрона в виде контура с окружающими егомагнитными силовыми линиями) могутдемонстрироваться процессы образованияионов и соединений с различными типамиковалентных связей.
Предлагаемый способпостроения моделей электронныхповерхностей молекул значителен тем, чтообъясняет закономерности ихформообразования. А это уже новое качествознания.
У геометрической моделиэлектрона в виде кольца с обвивающей егоспиралью появляется новая дидактическаяфункция - наглядная демонстрация отличиячастицы от античастицы. Навивающаяся накольцо спираль может быть как правой (длячастиц), так и левой (для античастиц).Зеркальное отражение модели представляетсобой модель античастицы. Обычно модельэлементарной частицы обозначает лишь фактналичия и расположения частицы впространстве, при этом остальные еесвойства подразумеваются. Предлагаемаямодель позволяет эти “скрытые” свойствадемонстрировать.
Кольцегранные, то естьсоставленные из колец, модели атомныхоболочек, наглядны и легко воспринимаютсяучениками благодаря своей простоте иотсутствию внутренних противоречий. Онипозволяют демонстрировать большое числоненаблюдаемых внутриатомных процессов иобладают важным свойством - они очевидны имогут быть собраны руками обучаемых прииспользования набора в качествераздаточного материала. А это облегчаетусвоение учебного материала.
Все модели имеютграницы применимости. Поэтомусовместимость моделей подразумевает нетолько их взаимную непротиворечивость, нои возможность пересечения границ ихприменения.
Рассмотрим примерыпересечения границ применимости моделей.При рассмотрении электрона как устойчивойэлементарной частицы в процессах,характеризующихся точностью не выше2 (ангстрем),модель электрона в виде точки и модель ввиде кольца диаметра 1 ведут себя одинаково - ониравнозначны. При такой точностимоделирования кольцо диаметром 1 (10–10 м)может изображаться точкой. Например, этомогут быть процессы движения электрона каксамостоятельной частицы или процессыионизации. Для моделирования процессов,характеризующихся точностью выше 2, то есть прирассмотрении процессов внутри атома,например, при объяснении целочисленностиглавного квантового числа, электрон можноизображать волновым кольцом из целогочисла волн (рис. 7, 8, 10, 11). Геометрическимодель волнового кольца может состоять издвух пересекающихся линий разных цветов.Они обозначают амплитуды синусоидальныхколебаний волны, отличающиеся по фазе на180. Такая модель не противоречиткольцевой модели электрона. А за счетусложнения изображения добавляет новыевозможности описания квантовых состоянийэлектронов в атоме.
В учебнике физики 9 [26] вразделе “Квантово-механическая модельатома” рассмотрена возможностьизображения электрона в атоме водорода ввиде кольца из целого числа волн,называемых электронными волнами. Вучебниках по химии также используетсяаналогия между состоянием электрона ватоме и состоянием звучащей струны, накоторой образуются стоячие волны [25, с. 73].Подобное предположение делал еще деБройль, предлагая мыслить электронструной, свернутой в кольцо, колеблющейся ввакууме без трения. Де Бройль смог датьновое определение понятия "стационарнаяорбита" электрона в атоме: это такая орбита,на которой укладывается целое число "волнэлектрона". Свернув такую струну в кольцовокруг ядра, мы получаем модель электрона,объясняющую, откуда берутся целочисленныеквантовые числа “n” - номера разрешенныхорбит электрона в атоме. (Как мы знаем,уравнение Э.Шредингера, представляющееповедение электрона в атоме через некуюволновую функцию (x), очень похоже на уравнениеколебания струны.)
Такая модель, изображаяэлектроны в виде волновых колец,демонстрирует целочисленность главногоквантового числа, характеризующегоразличные энергетические уровнирасположения электронов. Например, напервой орбите (в пределах первой оболочки)электроны находятся в такомэнергетическом состоянии, когда в кольцеуложено две длины волны (рис. 7), а на второй– три (рис. 8, 9).Эта модель настолько проста и очевидна, чтоможет использоваться для изучения основквантовой физики и химии не только вклассах с углубленным изучением предмета[76, с.160].
Рассмотрениеэлектронов не в виде маленьких частиц,находящиеся в атоме везде и нигде (какоблако), а в виде больших колец, которые нелетают в атоме, а просто окружают ядро,существенно упрощает мысленную картинуатома. Если у атома один электрон - кольцо,то ядро располагается в его центре. Приэтом один электрон - незакрепленное кольцоможет быть настолько подвижным, что намибудет восприниматься как шар. Так же ведутсебя и два электрона. Поэтому и один, и дваэлектрона могут быть представлены каканалог шарообразных электронных облаковили орбиталей. Если электронов больше двух,то формы уже будут сложнее: три кольцамогут взаимно расположиться под углами120°, а четырепод углами 109°.Аналогичные углы можно обнаружить всоответствующих химических соединенияхборной кислоты и тетраэдрическихсоединениях углерода. При построении такихмоделей нет необходимости рассматриватьгибридизацию электронных орбиталей.Используются только модели электронов ввиде колец. Кольца могут деформироваться вэлектрических и магнитных полях, сохраняяпри этом форму замкнутого контура,близкого к кольцу. При использованиитакого средства наглядного моделированиянет необходимости использования различныхформ электронных облаков и их гибридов.Рассмотрение этих вопросов можно оставитьдля классов с углубленным изучением химиидля изучения распределения электронов поэнергетическим уровням [30, 31, 14]. При этомобъяснение электронного строения атомасущественно упрощается. Электронызаряжены отрицательно и отталкиваютсядруг от друга. Поэтому в сложных атомахэлектроны мешают друг другу занятьцентральное положение и группируютсявокруг ядра слоями. Этими слоями являютсяэлектронные оболочки. Полностьюэлектронное окружение атома выглядит ввиде нескольких кольцегранников,вложенных один в другой. Устойчивостьэлектронной оболочки демонстрируется намодели симметричностью кольцегранника,кольца которого мысленно наделяютсямагнитными свойствами. Магнитные свойстваэлектронов определяют геометриюэлектронных оболочек, а их геометрияопределяет химические свойствасоединений. Форма внешней электроннойоболочки диктует строгие углывзаимодействия между атомами. Размер атома(его валентный радиус) определяетсяразмером внешней электроннойоболочки.
Важнейшим следствием ипреимуществомиспользования новой модели является то,что при изготовлении моделей химическихсоединений нет необходимости задаватьвалентные углы - они сами образуются впроцессе построения модели. Это следует изпредложения конкретной формы моделиэлектрона и определенных способовмоделирования химических соединений.
Собираемые модели нетолько демонстрируют процесс образованияхимических связей, но и объясняют причинуобразования определенных валентных углов.Взаиморасположение моделей атомовобъясняется определенной формойэлектронных оболочек, которая в своюочередь, зависит от геометрии моделиэлектрона и приписываемых электронуфизических свойств.
Для демонстрациидидактических свойств кольцегранныхмоделей рассмотрим пример изготовлениямодели электронной поверхности молекулы.Известно, что молекула метанахарактеризуется тетраэдрическимивалентными углами. Проследим, как этополучается на примере построения еёкольцегранной модели. Атом углерода имеетчетыре электрона на внешней оболочке, чтоможно изобразить четырьмя кольцами. Четырекольца, расположенные в гранях тетраэдра,образуют симметричную фигуру. Но она неявляется моделью устойчивой оболочки, таккак невозможно добиться обязательногочередования двух цветов всехсоприкасающихся колец. Кроме того, в этойконфигурации невозможно выделить парыэлектронов –так называемые «спаренные электроны». Вкольцегранных моделях «спаренныеэлектроны» изображаются двумя кольцами,лежащими в параллельных плоскостях сразных сторон от ядра атома (рис. 5, 6).Неспаренные электроны изображаютсяодиночными кольцами, не имеющими пары«напротив ядра», или цветом: одно из колецпары делается бесцветным. Таким образом,кольцегранная модель оболочки из четырёхнеспаренных электронов должна выглядеть ввиде фигуры из восьми колец, четыре изкоторых отсутствуют, или выполненыбесцветными (рис. 1).
Как известно [57],наибольшая положительная степеньокисления атома равна числу валентныхэлектронов, которое определяется по номеругруппы. Отрицательная степень окисленияравна числу неспаренных электронов навнешней оболочке атома данного элемента. Ууглерода она равна –4. Кольцегранная модель этодемонстрирует строением и цветовойкодировкой: четыре кольца – синего цвета ичетыре –бесцветных (прозрачных). Наличиебесцветных колец показывает, что оболочкаявляется незавершённой. Элемент снезавершённой оболочкойреакционноспособен. Поэтому углеродобразует ковалентные связи, например,присоединяет атомы водорода и образует сих помощью завершенную молекулярнуюоболочку. Соединение одного углерода счетырьмя атомами водорода – метан (CH4). Модель молекулыметана изображается в виде фигуры извосьми колец: четыре большего радиусасинего цвета, остальные четыре собраны изжелтых более коротких трубочек. Синиекольца изображают электроны углерода, ажелтые - атомы водорода (рис. 21). Новыедидактические возможности кольцегранныхмоделей проявляются в том, что материал,предназначенный для обучения в классах суглубленным изучением химии, может бытьрассмотрен и в базовом курсе, или материал,изучаемый в 10-х и 11-х классах, может бытьрассмотрен ранее. Например, рассмотрениететраэдрической, но искаженной симметриимолекулы NH3 [31,с. 50]: «три из четырех отталкивающихсямаксимумов –электроны на связывающих молекулярныхорбиталях (МО), а один – на атомарной орбитали (АО) азота, непринимающий участия в образованиисвязи. Поэтому реализуетсятетраэдрическая симметрия молекулы, ноискаженная, и угол HNH, равный 107°, отличается отидеального тетраэдрического. МолекулаNH3 -пирамидальная». На кольцегранных моделяхэто можно показать, не прибегая к сложнымобъяснениям. Для этого также как и в моделимолекулы метана и воды используются кольцаразличных размеров, отражающие отличиеразмеров колец, обозначающих электроныот колец –атомов водорода. Три из восьми колец вфигуре имеют меньший размер, чтоопределяет деформацию фигуры и уменьшениеуглов H-N-H по сравнению с идеальнымтетраэдрическим (рис. 20). А уже какследствие особенностей строения,демонстрируемых на этой же модели,«наличие несвязывающей электронной парыобуславливает полярность молекулы»[128, с.32].
Аналогичным способомкольцегранная модель молекулы воды(структурной единицы воды) демонстрируетуменьшение валентного угла HOH до 104,5° за счётиспользования при моделировании колецменьшего размера, изображающих атомыводорода (рис. 19). На кольцегранных моделяхможно демонстрировать и увеличениевалентного угла до значениятетраэдрического (109.5°) при замерзании воды. Образованиесимметричной тетраэдрической структурыводородных связей приводит к уменьшениюдвух из шести колец электронов кислородадо размеров электронов атомов водорода,участвующих в образовании водородныхсвязей (таблицы 4, 9, 11 приложения 4).
Отличительнойособенностью такого способа моделированияявляется наглядность изменений формыэлектронной оболочки химическогосоединения при изменении её состава.Например, при моделировании иона OH–, отличающегося отмолекулы воды на один протон – ядро атома водорода,изменения в модели электронной оболочкивыразятся в увеличении диаметра кольца,моделирующего акцепторный электрон,придающего отрицательный заряд соединению(рис. 24): его размер (равный остальнымкольцам - электронам кислорода) отражаетего равноценное участие в оболочке, а егоцвет (жёлтый, или отличный от цветаоболочки кислорода) отражает егопринадлежность (свидетельствует о том, чтоэтот электрон –акцепторный). Для сравнения приведенамодель гидроксильной группы (рис. 23), вкоторой одно прозрачное кольцо обозначаетвакантное место в оболочке, чем обозначаетее реакционную способность.
Подобные алгоритмымоделирования применимы ко многимсоединениям, изучаемым в базовом курсехимии. Приведу ещё один пример: модельэтанола имеет угол при центральном атомеуглерода (между кислородом и вторым атомомуглерода) близкий к тетраэдрическому. Дляизготовления молекулы этилового спирта,нужно взять модель метана и заменить двакольца, изображающих атомы водорода,моделями соответствующих радикалов –OH и –CH3. Впроизводстве это делается в несколькоэтапов с помощью катализаторов, илирасщеплением более сложных молекул, типаглюкозы. Если это не является целью урока,то при сборке модели спецификупроизводственного процесса можно неупоминать: взять модель метана и убрать дваиз четырех желтых кольца, присоединяя косвободившимся местам заранееподготовленные модели радикалов:гидроксильной группы в виде моделимолекулы воды, у которой не хватает одногожелтого кольца (рис. 27) и метила в видемодели молекулы метана, в которойотсутствует одно желтое кольцо (рис. 26).Размеры моделей гидроксила –OH и метила –CH3 отличаются, из-за небольшой разницыв ковалентных радиусах кислорода иуглерода. Поэтому угол между радикаламипри центральном атоме углероданезначительно отличается отсоответствующего в модели метана, ноостается близким к тетраэдрическому (рис.29).
Также угол, близкий ктетраэдрическому образуется при сборкемодели молекулы серной кислоты (H2SO4). Эта модельинтересна тем, что на ней можно показатьотличия среди ковалентных связей. Две изсвязей серы с кислородом имеют выраженныйионный характер: эти атомы кислородаоттягивают на себя по одному электрону свнешней оболочки атома серы. Это показаноцветом: по одному из электронов в этихоболочках имеют не красный цвет, а тот,которым кодируются электроны серы.Дополнительно наложенное ионноевзаимодействие, связанное с локальнымперераспределением заряда, приводитсближению оболочек серы и этих двух атомовкислорода, оттянувших по одному электронуот атома серы. Это и приводит к уменьшениюдлин двух из четырех связей в молекулеH2SO4 (рис. 30).
Рассмотрим общие правила построениякольцегранных моделей. Вмодели электронной поверхности любогоковалентного соединения кольца,символизирующие валентные электронывзаимодействующих атомов, располагаютсятаким образом, что образуют общуюповерхность вокруг нескольких ядер атомов,входящих в соединение. Такую поверхностьможно назвать молекулярной оболочкой,общей для нескольких атомов. В модели общеймолекулярной оболочки в контакт входяттолько кольца, символизирующие электроны сразличной характеристикой спин.Используя для моделирования кольца двухцветов, надо соблюдать правило: в оболочкедолжны соприкасаться только кольца разныхцветов.
В моделях соединений,образованных атомами одного элемента, изэлектронных колец образуется поверхность,характеризующаяся одинаковой величинойнапряженности электростатического полясистемы ядер.
В моделях соединений,образованных атомами разных элементов,кольца - электроны, принадлежащие разныматомам, могут отличаться по диаметрам,отражая разницу в ковалентных радиусахатомов, входящих в соединение. Например, вмодели молекулы серной кислоты (рис. 30)кольца желтого цвета, изображающиеэлектроны внешней оболочки атома серы,имеют два размера. Большего размера кольцасоответствуют ковалентному радиусу атомасеры, а меньшего размера, желтые кольца,участвующие в завершении оболочек двухатомов кислорода, соответствуютковалентным радиусам атомов кислорода.Этот переход электронов серы в оболочкиатомов кислорода, входящих в соединение,отражает ионный характер этих ковалентныхсвязей.
Общим правилом примоделировании электронной оболочкимолекулы, составленной атомами сразличными ковалентными радиусами,является расположение колец – электронов в моделитаким образом, чтобы изменениянапряженности электростатического поля вобласти контакта электронных оболочекатомов, входящих в соединение были плавные,а не скачкообразные от кольца к кольцу, чтосоответствовало бы наименьшим изменениямнапряженности электрического поля вкаждом кольце. В простых моделях этовыполняется простым подбором размеровколец, соответствующих ковалентнымрадиусам, как в модели галогенидауглеводорода с различными радикалами - CHClFBr(рис. 31). Равномерное расположениеэлектронов на эквипотенциальнойповерхности иногда приводит к деформациивсей электронной оболочки (как в молекулахводы, и аммиака) или некоторых колец – электронов, как вмодели молекулы циклогексана (приложение 1,5).
Рассмотрим подробнееправила моделирования форм электронныхповерхностей химических соединений сразличными типами ковалентных связей ввиде кольцегранников.
Моделированиеодинарной ковалентной связи.
Электронов внешнейоболочки, представленных кольцами можетбыть от 4 до 7. Кольца располагаются в граняхоктаэдра таким образом, что образуют одноили несколько вакантных (пустующих) мест воболочке, каждое из которых может бытьзаполнено одним кольцом. Этимивакантными местами соприкасаютсявходящие во взаимодействие электронныеоболочки, образуя общую молекулярнуюоболочку. В случае взаимодействия сводородным атомом, кольцо, моделирующееэлектрон атома водорода, заполняетвакантное место (рис. 17 - 23).
Моделирование двойнойковалентной связи.
Как и в случае содинарной ковалентной связью, электронывнешней оболочки, представленные кольцами,располагаются в гранях октаэдра. Этикольца (их может быть от 4 до 6 штук) образуютоктаэдрическую (восьмигранную) оболочку, вкоторой отсутствует одна или две парысоприкасающихся колец. Образуютсявакансии, которые могут быть заполненытолько двумя кольцами. Контакт двухоболочек местами двойных вакансиймоделирует образование двойнойковалентной связи междувзаимодействующими атомами (рис. 32).Примером может служить молекула кислорода(рис. 33). Модель трехатомного соединения сдвойными связями (молекула углекислогогаза - СО2)демонстрирует, что угол при центральноматоме равен 180(рис. 34).
Тройная ковалентнаясвязь.
Кольца, символизирующиеэлектроны, располагаются вокруг двухвзаимодействующих ядер в соответствии собщими правилами построения моделей. Врезультате образуется фигура из десятиколец (рис. 37). В образовании связиучаствуют все электроны углерода, то естьчетыре, а не три, как это происходит приобразовании одинарных связей. При этомутрачивается октаэдрическая(восьмигранная) симметрия расположенияэлектронных колец вокруг ядра. Положениеколец –электронов углерода близко к расположениюв гранях куба –то есть под прямым углом, или вперпендикулярных плоскостях. Этосовпадает с общепринятым представлением остроении тройной связи: «обе - связи лежат вовзаимно перпендикулярных плоскостях;- связи вмолекуле ацетилена охватывают оба атомауглерода так, что они оказываютсяпогруженными в цилиндрическое облако- электроннойплотности; атомы водорода находятся запределами этого цилиндра» [120, с. 41].
Сопряженные(полуторные, резонансные) ковалентныесвязи.
Кольца, символизирующиеэлектроны, располагаются вокруг ядра впараллельных плоскостях, параллельноэлектронам внутренней оболочки. Электроныатомов водорода присоединяются к ним такимобразом, что образуют трехгранную призмуиз колец, внутри которой располагается ещепара колец, параллельных основаниям призмы(смотри таблица приложения 1). Кольца,составляющие грани призмы, могут своимотсутствием (одного, двух или всех трех)представлять вакансии, по которымобразуются связи. Внешняя молекулярнаяоболочка бензола моделируется двумяплоскостями, составленными из колец – электронов углерода,ограниченными присоединенными к ним подпрямым углом кольцами - атомами водорода(рис. 36). Параллельное расположение колец– электроновуглерода (рис. 35) приводит к двумследствиям: сокращается длина связи междуатомами углерода, по сравнению с простойковалентной связью и увеличиваетсярасстояние между электронами внешнейоболочки и ядром атома за счёт взаимногоотталкивания трёх пар электронов,расположенных в параллельных плоскостях(аналогично расположению s- орбиталей). Обаэти следствия подтверждаютсяэкспериментально: значением длин связей вмолекулах ароматических соединений и тем,что максимумы электронной плотности p-орбиталей расположены ближе к ядру, чем дляs- орбиталей [67]. Взаимное расположениевакансий в полученных кольцегранныхфигурах определяет углы образованияхимических связей в соединениях, а размерыколец позволяют определять геометрическимпостроением межъядерные расстояния.Размеры колец определяются величинойнапряженности электростатического поляядра (или системы ядер взаимодействующихатомов), взаимным влиянием внешних ивнутренних электронных оболочек игеометрическими особенностямирасположения электронов - колец воболочке.
В современных методикахпреподавания химии принято одинарныесвязи характеризовать как - связи, а двойные ирезонансные (ароматические) как комбинацию- и - связей. В этусистематику плохо вписываются связи снеявно выраженным характером: сильнополяризованные ковалентные связи, иликовалентные с ионным характером, а такжеароматические. И. Н. Чертков обращаетвнимание на существующий парадокс: внеорганической химии, как в науке и учебномпредмете, степень окисления – одно из основныхпонятий, а в органической химии – нет. Дляорганической химии важна не степеньокисления, а смещение электроннойплотности [130, с. 31].
Предлагаемый способмоделирования электронных оболочек в видекольцегранников представляет собой общийподход к объяснению процесса образованияхимических связей. Рассматриваетсяпроцесс образования общей молекулярнойоболочки. И в зависимости от числаэлектронов на внешней оболочке образуютсяразличные виды связей. Это рациональный иболее современный способ объяснения.Общепринятые условные обозначения связейтакже можно использовать и дажедемонстрировать с помощью предлагаемыхмоделей. Например, размер тора (кольца),моделирующего электрон, зависит отрасстояния до ядра атома: чем ближе к ядру,тем меньше, дальше от ядра - больше.Различные его возможные положения околоядра описывают форму, близкую к конусу,направленному к ядру, а второй электрон,противоположного знака спин, описываетвстречный ему конус. В сумме эти состоянияпары электронов приблизительно описываюттак называемую “гантелевидную форму”.Соответственно сечение этой гантелевиднойформы эквипотенциальной поверхностью (илиполой сферой) будет выглядеть как параколец (или круговых сегментов), окружающихядро. Связь в предлагаемой моделиобразуется по вакантному месту в оболочке,то есть вдоль оси этой “гантелевиднойформы”, в которой не хватает одногоэлектрона.
В ароматическихсоединениях типа бензола - связи такжеобразуются по вакантным направлениям. Аперпендикулярные им - связи демонстрируютсярасположением колец, изображающихэлектроны углерода, в одной плоскости (см.рис. 36). Так называемое их “перекрывание”заключается в контакте соприкасающихсяколец, моделирующих электроны. Направлениеобразования связи перпендикулярноплоскости, в которой находится кольцо– электрон.Поэтому в моделях направления образованиясвязей - и- также можносчитать перпендикулярными. Это непротиворечит, а иллюстрирует традиционноеопределение «перекрывания электронныхоблаков атомных орбиталей двух атомов: - «лобовое» и - «боковое».Электронное строение очень многих (но невсех, конечно) молекул можно описать врамках представлений о ковалентной связи,осуществляемой общей для двух атомов паройэлектронов. Как отмечал В. И. Дайнеко [37, с.38], «пользуясь этим представлением, нельзязабывать, что оно является приближением иприменимо далеко не всегда. Например, с егопомощью нельзя описать строение такихнесложных молекул, как SF4, IF3. Здесь и в другихподобных случаях надо пользоваться болееглубокими квантово-химическими методами».Кольцегранные модели и в этом случае могутупрощенно заменить сложные дляпреподавания квантово-химические методы.Модели соединений SF4 и IF3 изготавливаютсяпо общему вышеизложенному алгоритму,изложенному выше. Отличительной чертойэтих соединений будет использование вкачестве общей молекулярной оболочкикольцегранника из десяти колец, а не извосьми как в большинстве случаев. Из десятиколец в соединении SF4 шесть принадлежат атому серы, ачетыре являются вакантными местами, покоторым образуется ковалентная связь сатомами фтора; аналогично и в IF3 - семь принадлежататому йода, а три являются вакантнымиместами, по которым образуется ковалентнаясвязь с атомами фтора.
Также весьма сложным идекларативным является общепринятоеобъяснение неустойчивости молекулыS2: «Для серы какэлемента, расположенного ниже второгопериода, (p – p)- связиэнергетически не выгодны и, следовательно,двухатомные молекулы S=S неустойчивы» [112, c.9]. Использование кольцегранных моделейпозволяет упростить изложение, сделав егоболее наглядным. Сера, являясь гомологомкислорода, отличается наличием внутреннейоболочки из восьми электронов. В моделяхэто изображается кольцегранником извосьми колец в качестве предвнешнейоболочки (рисунок в таблице приложения 1).Очевидно, что при попытке изготовлениямодели молекулы S=S, аналогичной O=O (рис. 33),внутренние кольцегранники (смотри таблицаприложения 1) ориентированы таким образом,что вынуждены соприкасаться рёбрамиоктаэдров (в которые вписаныкольцегранники, а не гранями, в которыхрасположены кольца). Такое тесноесоприкосновение, вызывает электрическоеотталкивание, а положение механическинеустойчивое вызывает отсутствиемагнитного взаимодействия,обеспечивающего прочность химическойсвязи. Таким образом, наличие внутреннейоболочки затрудняет образование связи S=S,что может демонстрироватьсякольцегранными моделями.
Благодаря расширеннымдидактическим возможностям: простота,наглядность, широкий диапазон применения,кольцегранные модели можно вводить впроцесс обучения в качестве необходимыхмоделей, дополняющих традиционные.
2.3. Характеристикакомплекта моделей для изучения строениявеществ.
Исторически сложиласьпоследовательность использования моделейатомов, молекул и составляющих ихэлементарных частиц, используемая всовременной системе обучения. По мерепродвижения научного познания исовершенствования науки развиваются,уточняются и обогащаются её понятия [58].Уже давно наступило время внедрениясистемного подхода. Системный подходпроявляется в системно-структурном иструктурно-функциональном анализе понятийи их систем при изучении сложныххимических объектов как целостныхформирований. Одним из путейинтенсификации обучения химии иформирования систем понятий являетсяструктурирование понятийного содержания сцелью его сжатия, упорядочения и выделенияоптимальных вариантов важнейших системпонятий курса [58]. Вместе с понятийной базойсистемно развиваются и средства обучения,появляются новые модели. Наглядные модели,как существенная составная часть средствобучения, тоже должны быть объединены всистему для использования в качественеобходимого дополнения в комплексемоделей.
Использование новыхмоделей электронов, атомов и молекулявляется естественным дополнением ужесуществующего компонентного составамоделей по химии. Особенности конструкциймоделей и наглядная форма их представленияуказаны в таблице 2.1. Таблица представляетсобой фрагмент таблицы 8 из [73, с.99], илиранее [28, с.18], дополненный нами с учетомновых моделей электронов, атомов имолекул.
Таблица 2.1
Определениекомпонентного состава моделей похимии
| N | Моделируе-мый объект | Моделируемая сторона объекта | Видмодели |
| 1 | Электрон | Размерыэлектрона определяют размеры атома.Cвойство спин электрона – аналог наличия унего магнитных свойств, или аналогмеханического момента вращения. | Гибкоекольцо; кольцо магнитное или с символикойвыделения направления движения (илиналичия магнитных свойств); кольцо снавитой на него спиралью. |
| 2 | Атом,ион | Относительные размеры, строениеатома (состав и внутренняя организация),ионные радиусы. | Кольцегранные модели электронныхоболочек атома, модели-аппликации намагнитной основе, фишечные модели,электрифицированные модели - табло. |
| 3 | Молекула | Образование химической связи,пространственное строение (валентные углы,направление связей), форма молекулы(атома) | Модели-аппликации на магнитнойоснове, модели атомов со стержнями(скелетные модели), объемные модели(кольцегранные модели, модели Стюарта) |
| 4 | Кристалл | Внутренняяорганизация, направление связей,кристаллические решетки: ионная, атомная,молекулярная, металлическая (кубическая,объемно-центрированная,гранецентрированная,гексагональная) | Моделикристаллических решеток сухого льда,L-железа, меди, магния; Кольцегранные моделифрагментов кристаллических решеток,поваренной соли, алмаза, графита. |
| 5 | Химическаяреакция | Сущностьхимической реакции (механизм). | Модели -аппликации, кольцегранные молекулы, моделидля графопроектора. |
Использованиекольцегранных моделей необходимо в VIII -XI классах при изучении тем: "Периодическийзакон и Периодическая система химическихэлементов Д.И.Менделеева. Строениеатома. Химическая связь. Строениевеществ".
Для изготовления ииспользования новых моделей электронов,атомов и молекул может служить набор“Магеом”, «Кольцегранник» илиразработанный демонстрационный “Набордля сборки кольцегранных моделей атомов имолекул". Благодаря размерам собираемыхмоделей (масштаб увеличения 1 млрд.) набор«Магеом» более подходит для егоиспользования в качестведемонстрационного. Однако, как отмечаютпедагоги [104], требуются также и раздаточныематериалы, применение которых повышаетэффективность обучения, облегчаетосмысление изучаемого материала. Всовременных условиях для увеличения долисамостоятельных работ учащихся необходимосоздание специализированного набора дляизготовления объемных моделей атомов имолекул. Подобный набор разработан в видераздаточного варианта “Набора для сборкикольцегранных моделей атомов и молекул". Онявляется расширенным аналогом набора«Кольцегранник». Для удобстваиспользования его в качестве раздаточногоразмер моделей уменьшен в два раза,благодаря повышению пластичноститрубочек.
Наборы для изготовлениякольцегранных моделей универсальны (онипозволяют проводить сборку необходимыхмоделей) и в одностороннем порядкетехнологически совместимы: раздаточныйнабор «Кольцегранник» и “Набор для сборкикольцегранных моделей атомов и молекул"для самостоятельной работы учащихся приизучении базового курса химии вобщеобразовательной школе совместимы сдемонстрационным набором «Магеом».
Преимуществом наборадля изготовления кольцегранных моделейявляются его широкие возможности,позволяющие моделировать электронныеповерхности молекул. Набор также можетиспользоваться дляспециализированного практикума приуглубленном изучении химии.
Набор обеспечиваетбыструю и наглядную демонстрациюстроения атомов и молекул науроках и возможность самостоятельногомоделирования учащимися на уроке и вовнеурочное время при изучении следующихтем:
- изучение элементов 4, 5, 6, 7 группглавной подгруппы периодическойсистемы;
- основные классы неорганическихсоединений: оксиды, кислоты, основания,соли;
- органические вещества: предельные инепредельные углеводороды, спирты, амины,оксиды.
Набор включаетразличные детали, позволяющиемоделировать электронные оболочкиразличных атомов и молекул. Деталяминабора являются трубочки разных цветоводного диаметра и различной длины, а такжесоединительные элементы в количестве,необходимом для сборки.
Набор “Магеом” состоитиз пластмассовых трубочек четырех цветовтрех длин и четырех комплектовсоединительных элементов разных видов (см.вкладыш в наборе): главные элементы (длясоздания кольцегранных фигур), вершины (длясборки вогнутых фигур), вспомогательныеэлементы и элементы в виде сложных крестов(для сборки совмещенных ивзаимопересекающихся фигур). Набор прост вобращении, для работы с ним требуютсялинейка и ножницы.
Набор «Кольцегранник»состоит из фрагментов трубочек (длина 20 см,диаметр 4 мм) и соединительных деталей,укомплектованных в количестве,необходимом для сборки двух, трёхэлектронных оболочек атомов, или одной,двух моделей молекул. Также как и в набор«Магеом» в набор «Кольцегранник» не входятдетали, специально предназначенные дляизображения ядер атомов, образующихмолекулы.
Спроектирован “Набордля сборки кольцегранных моделей атомов имолекул". Этот специализированный наборсостоит из трубчатых и соединительныхэлементов, укомплектованных в количестве,необходимом для проведения любой изнеобходимых самостоятельных лабораторныхи практических работ. Описание работ,проводимых с использованием кольцегранныхмоделей, сведено в таблицу и находится вприложениях 1 и 2.
Данные об элементах,используемых в специализированном наборе,сведены в таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Набор деталейдля сборки кольцегранных моделей атомов имолекул
| N | ЦВЕТ | ДЛИНАэлемента | КОЛ-ВО | ДЛИНАобщая | ДЕТАЛИ | |||||
| см | шт | м | Соединительные | Вспомогатель-ные | Кольцо | Ядра | ||||
| i | Y | X | ||||||||
| 1 | чёрный | 20 (18) | 12 | 2.40 | 12 | 24 | 3 | 6 | 2 | |
| 2 | белый | 13 | 14 | 1.82 | 14 | 6 | ||||
| 3 | красный | 15 | 12 | 1.80 | 12 | 24 | 2 | 4 | 2 | |
| 4 | синий | 16.5 | 5 | 0.85 | 5 | 12 | (3) | |||
| 5 | зелёный | 22 | 7 | 1.54 | 7 | 12 | 1 | |||
| 6 | жёлтый | 24 | 6 | 1.44 | 6 | 12 | 2 | 2 | ||
| 7 | прозрачный | 1.87 | ||||||||
| 8 | серый | 14 | 10 | 1.40 | 8 | 12 | ||||
| Всего: | 13 м | 64 | 96 | 8(11) | 12 | 6 | 4 | |||
Материалом дляизготовления деталей набора являетсяпластмасса (поливинилхлорид, полипропилен,др.).
Конструкциякомплектующих деталей набораобеспечивает быструю, удобную сборкунеобходимых моделей. Все комплектующиедетали могут быть размещены в однойукладке в соответствующихложементах.
Гарантийный срок службынабора - не менее 2-х лет. Средний срокслужбы - не менее 10-ти лет.
Набор снабженметодическими рекомендациями по сборке ииспользованию моделей молекул.
Хранить наборы можно влаборантском помещении. При необходимостинекоторые сложные в сборке модели хранятсяв собранном виде рядом с шаро-стержневымиили вывешиваются в кабинете в качественаглядных пособий.
Выводы к главе 2.
1. В соответствии спринципом научности и адаптации научныхданных для обучения необходимо ввести впроцесс обучения новые модели атомов имолекул, полученные на основе моделиэлектрона в виде гибкого тора (или кольца),имеющего или обозначающего цветом наличиемагнитных свойств.
2. Сформулированныепедагогико-эргономические требования кмоделям, как общие, так и специфические,позволили установить, что предложеннаямодель электрона в виде тонкого тора, иликольца и обладает новыми дидактическимивозможностями, как и получаемые с еёпомощью кольцегранные модели атомов имолекул. Новые модели отличаются рядомпреимуществ: отсутствие внутреннихпротиворечий, удобство использования,совместимость с другими моделями, высокаянаглядность, повышеннаяинформативность.
3. Использование моделиэлектрона в виде кольца или торапредставляет нам новые дидактическиевозможности. Сразу несколько моделируемыхсторон объекта можно отобразить с помощьюэтой перспективной модели:
3.1. Изображаяэлементарную частицу кольцом, мы имеемвозможность демонстрациикорпускулярно-волнового дуализма. Кольцо,символизирующее волновой процессциркуляции распределенного заряда позамкнутому контуру, демонстрируетволновую природу частиц, а корпускулярныесвойства частиц объясняютсяограниченностью этого процесса впространстве.
3.2. Благодарянаглядности модели, свойства, проявляемыеэлектроном в атоме и описываемые ранее какпостулаты Бора и Принцип Паули, становятсянастолько очевидными, что не требуютпостулирования - достаточно описания идемонстрации. В стационарном состояниичастицы представляются волновымипроцессами, ограниченнымиэквипотенциальной поверхностью, внутрикоторой движение заряда не приводит кизлучению. Излучение происходит только припереходе из одного стационарногосостояния в другое, отличающееся другимэнергетическим уровнем.
3.3. Модель электрона ввиде закольцованной стоячей волныотражает состояние электрона,характеризующееся главным квантовымчислом.
3.4. Модель электрона ввиде кольца с обвивающей его спиралью,демонстрирует магнитные взаимодействияэлектронов в атомных оболочках и позволяетобозначить отличие частицы отантичастицы.
4. Благодаря широкимдидактическим возможностям (простота,наглядность, широкий диапазонприменимости, совместимость собщепринятыми понятиями о формах и видахсвязей) кольцегранные модели можно вводитьв процесс обучения в качестве необходимыхмоделей, дополняющих традиционные. Приэтом материал, предназначенный дляобучения в классах с углубленным изучениемхимии, может быть рассмотрен и в базовомкурсе, или материал, изучаемый в 10-х и 11-хклассах, может быть рассмотренранее.
5. Определён и дополненкомпонентный состав моделей по химии.Предложен специализированный набор длясборки кольцегранных моделей атомов имолекул. Дана характеристика комплектамоделей для изучения строения веществ,отражающая необходимость внедрениясистемного подхода использования моделейв процессе обучения.
Глава 3. Организация использованиякомплекса моделей при изучении строениявещества в курсе химии среднейшколы.
- Методическиевозможности использования комплекса свключением кольцегранных моделей приизучении строения веществ
в курсе химии среднейшколы.
Важным приёмом обученияявляется максимальное использованиевозможностей демонстрации. Не рассказы обустройстве атома, а модельная демонстрациясоздают эффект реальности объектаизучения - атомов и молекул. Большоезначение модельным объяснениям приписывалШтофф В. А. [137, с. 257]: «Модельные объяснения сметодологической точки зрения могутрассматриваться как вехи или этапы на путик достоверному, истинному и теоретическиболее адекватному объяснению». Как отметилПидкасистый П. И. [85, с. 85]: «Одно делоописывать что-то, а другое – объяснять… Дляописания используются одни способы, а дляобъяснения другие». Для объяснениянеобходимы простые и быстро сменяющие другдруга образы изучаемого объекта. Образы,создаваемые материальными моделями имысленные образы-модели используютсясовместно, преследуя цель создания единогодидактического образа изучаемого объекта.В качестве материальных могутиспользоваться различные модели кактрадиционные (шаростержневые, Стюарта,масштабные), так и новые, кольцегранные.
Анализ, проведенный вглаве 1, показал, что для полноценногоусвоения учащимися разнообразнойинформации, связанной со строением атома,недостаточно использования традиционныхмоделей. При использовании в процессеобучения различных по сложности моделей(таблица 1.2) у учащихся общеобразовательныхзаведений образуется брешь в знании остроении атома, связанная с дистанциеймежду малой информационной ёмкостью вобласти электронного строения традиционноиспользуемых моделей (скелетные,шаро-стержневые, масштабные) и резковозрастающей сложностью использованияорбитальных моделей. Образуется разрывмежду принятым базовым уровнем обученияклассов общеобразовательной школы исуществующей необходимостью изученияфизики и химии в свете современных научныхпредставлений о строении атома. Такимобразом, идейная несовместимость моделеймолекулярных орбиталей с более простымитрадиционными моделями приводит кнеобходимости углублённого изучения, чтоне предусмотрено в некоторых курсах,например, в классах гуманитарногопрофиля.
Встает проблемаприведения содержания в соответствие спринципами не только историчности, но инаучности, фундаментальности,адаптивности и технологичности.
С другой стороны,сложность и разрозненность знания, аместами и его противоречивость в части,посвященной устройству атома, являетсяотражением исторического пути развитиянаучных знаний (проходившего вовсе нелинейно и не так последовательно, как этоизлагается в учебниках). С этойособенностью развития научно-техническихзнаний важно ознакомить учащихся с цельюдостижения полноценного формирования ихмировоззренческой позиции.
Сейчас в школьнойпрограмме важнейший вопрос устойчивостиэлектронных оболочек, формирующих видПериодической системы химическихэлементов Д. И. Менделеева, освещаетсянедостаточно, то есть это делаетсядекларативно, без достаточныхдоказательств, убеждения на опыте изакрепления в эксперименте. Рассмотрениеэтого вопроса фактически замалчиваетсяиз-за отсутствия простых моделей иограниченности изобразительныхвозможностей, позволяющих объяснитьдоступно, без избыточной сложностиособенности, присущие орбитальным моделям.Таким образом, мы видим, что недостаткив содержании обучения являются следствиемчрезмерной сложности методов и средствобучения, связанных не только сограниченностью изобразительных средств,но и с несоответствием используемыхмоделей современному научному знанию.
Как было рассмотрено вглаве 2, во второй половине ХХ векапоявились новые научные модели,аккумулирующие в себе новое содержание,которое не содержат в себе исторические иныне используемые в обучении модели. Этиновые модели привносят с собой новые формыи средства обучения, использование которыхпозволяет откорректировать содержание,вернуть в программу обучения вопросы,которые ранее были сложны для изучения, ноявлялись необходимыми для формированияинформационного горизонта имировоззрения. Речь о наглядном ипрактическом изучении таких вопросов, какустойчивость электронных оболочек в атоме,наглядное, а не декларативное освещениетаких принципиальных тем химии какПериодический закон и формированиеПериодической системы химическихэлементов Д. И. Менделеева, образованиеэлектронных поверхностей атомов ихимических соединений.
До сих пор впрограмме обучения остается не освещаемыйв должной мере круг вопросов, а именно:конфигурация, состав и свойстваэлектронных оболочек атома. А ведь именноособенности электронного строения атомаопределяют химические свойства элементови их соединений, характер взаимодействия идинамику образования связей. До сих пор вобучении используются либо чрезмерноупрощенные модели, не отражающие строенияэлектронных оболочек, либо моделиакадемического уровня сложности (методмолекулярных орбиталей, рассматривающийотносительное смещение электроннойплотности), которые трудны и сложны дляобучения даже в упрощенном варианте. Нетникакой связи между моделью электрона ввиде точки, двигающейся в атоме, иорбитальной моделью, оперирующейтуманными понятиями, типа «электронноеоблако», «смещение электронной плотности».Это является одновременно и проблемойизложения знаний для учителей и проблемойполучения и усвоения знаний для учащихся.Не хватает простой и наглядной модели,позволяющей объединить эти взгляды,позволяющей совершиться переходу, а неперескоку знания из одной формы вдругую. Взаимная противоречивостьмоделей в базовом обучении приводит кпарадоксальности знания. А потенциальныйраскол мировоззрения при использованиинесовместимых моделей приводит к ихделению на реальные и нереальныемодели, находящиеся в антагонизме. Этоскорее приводит к неправомерномуредуцированию знания, а не егополноценному усвоению.
Носителем знанийразного уровня сложности об устройствеатома и его свойствах может являтьсямодель кольцегранных электронныхоболочек. Её методическая простота идоступность позволяет использовать её вобщеобразовательной школе, в том числе и вклассах гуманитарного профиля, а еёвариативность и возможность использованияусложнённых моделей (узнаваемокольцегранных: волногранных, или иззамкнутых в кольцо спиралей) позволяет еёиспользовать и в классах углубленногоизучения. Таким образом, появляется модель,обладающая свойством «узнавания»учащимися разного уровняинформированности, имеющая достаточноширокий спектр дидактических свойств,чтобы объяснять круг изучаемых вопросов напротяжении изучения всего школьногокурса.
Кольцегранные моделимогут использоваться на протяжениипреподавания всего курса химии, с самогоначала изучения Периодического закона. Этосвязано с тем, что в восьмом классеПериодический закон и периодическаясистема химических элементов Д. И.Менделеева изучаются одновременно сознакомлением учащихся со строениематомов элементов первых четырёх периодов.При этом не даётся характеристика разныхформ электронных орбиталей (или облаков).Изучение строения электронных орбиталейможет быть перенесено в углубленный курс,или ограничиться ознакомлением учащихся свариативностью их форм. Основной упор визучении должен быть сделан нараспределении электронов, составляющихоболочку атома на соответствующих уровнях[68].
Это дает учащимсявозможность сформировать долгосрочноезнание о строении атома, которое не входитв противоречие с более сложнымиорбитальными моделями. Таким образом, припродолжении изучения химии, углублениизнаний, или даже при выборе химическойспециализации, эти модели позволяютвоспринимать новое знание как развитиеуже имеющихся знаний, а не их замену, тоесть сохранит преемственность знания.Это поможет сохранить целостностьмировоззрения, избежать разделения на мирреальный и «мир науки», современнойкатастрофы «парадоксальности» знания; этосохранит культуру использованиянаучно-технического знания, а не егоотторжения как чужеродного и непонятного.Многим известен пример того, как на первомгоду обучения в высшей школе из устпреподавателя часто звучит фраза:«Забудьте всё, что вы учили в школе.Приступим к обучению заново». Это не простопризнание бесполезности школьного знанияв некоторых разделах изучения сложныхпонятий. Переучивание считается труднееобучения. Значительно лучше не торопитьсяи достигать больших целей малымисредствами. Иначе говоря, незначительныеизменения содержания и отражающие ихформы, методы и средства обучениязначительно выгоднее полногопереучивания.
Проблеманеполноценности содержания обучения,порожденная либо малой информационнойёмкостью, либо сложностью и избыточнойпротиворечивостью традиционноиспользуемых моделей, может быть решенафрагментарным изменением содержания,связанным с введением в обучение новыхмоделей. Эти изменения и ожидаемыерезультаты кратко представлены в таблице3.1.
Таблица 3. 1
Изменениемсодержания обучения и ожидаемыерезультаты
| Изменения всодержании | Способы исредства достижения результата | Достигаемыйрезультат |
| 1. Связать движениеэлектрона в виде точки в планетарноймодели атома с движением фазыраспределенного отрицательного заряда позамкнутому контуру в электронной оболочкеатома. | 1. Изображениеэлектрона в атоме гибким кольцом (илизамкнутым контуром), размер которогоопределяет размер атома. Используютсякольца разного цвета, двуцветные,магнитные, кольца с символическимобозначением направления движения,фрагменты колец. | 1.За счётсовмещения корпускулярно-волновых свойствэлектрона в одной модели избегаеммножественного переопределения электрона,то в виде точки, или маленького шара, то ввиде орбитали или электронногооблака. |
| 2. Дать определениеспин электрона (присущего электронусвойства внутреннего вращения), связав егос движением заряда электрона внутриатома по замкнутому контуру, сообщающееэлектрону магнитный момент ватоме. | 2. Изобразить спин ввиде вектора, приложенного к центрукольца, изображающего электрон,перпендикулярно его плоскости.Направление вектора определяется взависимости от направления движениязаряда по кольцу по правилубуравчика. | 2. Наглядное ипростое обозначение свойства внутреннеговращения электрона – спин избавляет от противоречиямежду наличием движущейся заряженнойчастицы в атоме и отсутствием излучения,которым должно сопровождаться её движение. |
| 3. Открываетсяновая возможность рассмотрениявзаимодействия электронов внутри атомнойоболочки (в виде упрощенных моделейэлектрона в виде кольцевых магнитов илизамкнутых контуров с током). | 3.Использовать длямоделирования оболочек магнитные кольца,или кольца двух цветов (красного и синего),или же двуцветные кольца (красно – синие),обозначающие магнитные свойства моделиэлектрона, аналогично кольцевомумагниту. | 3. Нагляднаядемонстрация образования в атомеустойчивых оболочек («электронныхповерхностей» вокруг ядра атома), а такжевозможность проведения модельногоэксперимента проверки их устойчивости.Объясняются ранее постулируемые свойстваустойчивости оболочек. |
| 4. Рассмотрениестремления оболочек к завершенной формекак следствия взаимодействия электронов воболочке с учетом их свойств «спин» истремления к образованию наиболееправильных симметричных форм. | 4. Построениекольцегранных моделей электронныхоболочек из моделей электронов в видеколец с учётом чередования их свойстваспин, обозначаемого цветом колец.Модельный эксперимент выявления наиболееустойчивых оболочек в атоме. | 4. Возможностьпоказа как устойчивых (завершенных), так инезавершенных оболочек. Демонстрациязависимости свойств элементов от вида егоэлектронной оболочки. Объяснение понятияпериодичности на примере заполненияэлектронных слоёв в атоме. |
| 5. Моделированиепроцессов образования ионов изнейтральных атомов, определяемоевзаимо-действием электронов в оболочкахатома. | 5.Составлениеобъёмных моделей ионов из плоских колец(моделей электронов) | 5. Объяснение имодельная демонстрация процессовобразования ионов с завершеннымиоболочками из нейтральных атомов снезавершенными оболочками. |
| 6. Пространственноемоделирование электронных поверхностеймолекул с различными видами связей. | 6.Проведениефронтальных работ построения моделеймолекул в виде модельныхэкспериментов. | 6. Демонстрация иобъяснение образования ковалентныхполярных и неполярных связей. Изучениеособенностей их электронногостроения. |
