« РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИНСТИТУТ СОДЕРЖАНИЯ И МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ (ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ) На правах рукописи ...»
Как было показано вглаве 2, простые кольцегранные модели, вкоторых все электроны обозначаютсякольцами, хорошо выполняют функциинаглядных моделей. Кольцегранные моделиэлектронных оболочек атомов и молекулиспользуются для изучения строениявеществ, их физических и химическихсвойств, а также для геометрическойинтерпретации и демонстрации механизмаобразования различных видов ковалентныхсвязей. Это предоставляет нам возможностьболее рационально организовать занятия сиспользованием кольцегранных моделей поосновным темам и разделам курса химии 8– 11 классов, вчастности при изучении следующих тем:Периодический закон и периодическаясистема химических элементов Д. И.Менделеева; Строение атома; Химическаясвязь; Строение веществ; Общие свойстваметаллов; Основные классы неорганическихсоединений: Кислоты, оксиды, основания,соли; Органические вещества: предельные инепредельные углеводороды,ароматические углеводороды,спирты и фенолы, амины. Формы обучениятрадиционны и различны: процессы усвоенияинформации происходят через объяснение идемонстрацию учителем, через лабораторныефронтальные опыты и самостоятельныеработы (лабораторные, практические иэкспериментальные, коллективно -творческие).
Кольцегранные моделимогут быть использованы в качестведемонстрационных моделей, используемыхучителем при объяснении строения атома иэлектронных оболочек, его составляющих.Однозначное соответствие в моделях колецэлектронам позволяет наглядно надоступном геометрическом уровнедемонстрировать устойчивость именно техэлектронных оболочек, которые определяютвид периодической системы химическихэлементов Д.И. Менделеева. В качествепримера представим деятельность учителя вслучае демонстрации устойчивостиэлектронных оболочек на схеме 3.1.
Кольцегранные моделиявляются новыми и стали использоватьсяотносительно недавно, поэтому большоевнимание следует уделять иллюстративномуматериалу и интерактивной форме егоподачи.
При возможностидемонстрацию кольцегранных моделей можнопроводить после видео-просмотра фрагментаучебного фильма «Путешествие в Наномир»,подготовленного студией «Центрнаучфильм»в 1994 году. В рекомендованном фрагментеэтого фильма используются кольцегранныемодели для рассмотрения строения атома ихимических веществ.
В школах, оборудованныхкомпьютерными классами, фронтальныеработы по теме «Строение атома»рекомендуется проводить в компьютерномклассе. Для ознакомления и закреплениязнаний об электронном строении атомарекомендуется провести одно или болеекомпьютерных занятий с обучающей игровойпрограммой «Глобус атома», состоящей издвух частей: первая знакомит учащихся совсеми возможными устойчивыми электроннымиоболочками атомов в виде кольцегранников,а вторая часть посвящена моделированиюполного электронного строения любогоатома. Разработаны также идемонстрационные компьютерныеграфические программы ознакомительногохарактера, изображающие электронноестроение оболочек атома в видекольцегранников.
Схема 3. 1
Возможности комплекса свключением кольцегранных моделей
при формировании понятияустойчивости электронных оболочек
Кольцегранные моделимогут быть изготовлены с помощьюспециальных наборов. Например, дляизготовления демонстрационных моделейможет использоваться набор дляконструирования "Магеом". Дляиспользования в качестве раздаточногоматериала на уроках химии и физики,затрагивающих вопросы электронногостроения атома или соединений атомов лучшеиспользовать набор «Кольцегранник» -прототип специализированного набора дляиспользования на уроках химии: “Набор длясборки кольцегранных моделей атомов имолекул". С его помощью можно изготавливатьнаглядные модели атомных и молекулярныхоболочек различных веществ.
При отсутствиивозможности видео-просмотра илипроведения компьютерных занятий, а также сцелью лучшего усвоения учебного материалав приложении 1 к данной работе помещенатаблица, облегчающая ознакомление учителясо способами сборки и работы скольцегранными моделями электронныхоболочек атомов и молекул, собираемыми спомощью демонстрационного набора«Магеом». В приложении 2 помещён примерныйперечень лабораторных и практическихработ по неорганической и органическойхимии, проводимых с использованиемкольцегранных моделей при изучении курсахимии в средней школе, а также примерынескольких раздаточных карт для учащихся иметодические рекомендации для учителей,включающие ответы на контрольные вопросыраздаточных карт.
Для проведенияфронтальных работ по моделированиюэлектронных оболочек атома рекомендуетсяиспользовать раздаточные наборы«Кольцегранник» и собирать двуцветныемодели электронных оболочек. Такжепрактические работы используются дляизучения вопросов возникновенияхимических связей и образования молекул.Примерами могут служить фронтальныеработы по моделированию простейшихсоединений воды, метана, а такжепрактические и экспериментальные(приложения 2, 4).
3.2.Методические приёмы использованиякомплекса моделей с включениемкольцегранных моделей для демонстрации ипроведения практических работ понеорганической и органическойхимии.
Новые кольцегранныемодели нуждаются в сопровождении новымиметодическими приёмами их использованиядля изучения строения вещества в среднейшколе.
Для соблюденияпреемственности в изучении строениявещества введение новых моделей всодержание должно осуществлятьсясовместно с ранее известными знаниями впроблемно –исследовательском плане, чтобы учащимсястало понятно, что ранее используемыемодели не объясняют всех свойств изучаемыхобъектов, а иногда и взаимно противоречатдруг другу.
Ранее в главе 2 (пункт 2. 3)были изложены требования и данахарактеристика нового компонентакомплекса –кольцегранных моделей.
В целом составкомплекса представлен на схеме 3.2 ивключает различные виды традиционных иновых моделей. На схеме показаны вариантыкомплекса разной глубины изучениятемы:
- Сокращённый (для гуманитарныхспециальностей);
- Для изучения химии в среднейшколе;
- Для углубленного изучения.
Цель деятельностиметодиста: опираясь на науку и обобщениепередового опыта, помогать учителюправильно строить педагогический процесс,вооружать эффективными средствамиобучения и воспитания; результатдеятельности: методические рекомендации,предписания, разработки [102].
Схема 3.2
Состав комплекса моделейатомов и молекул
для изучения строениявещества в курсе химии средней школы
Рассмотримметодические приёмы использованиякомплекса моделей на примере изучениястроения веществ. Примерное тематическоепланирование содержания материаловпрограммы раздела «Строение вещества.Химическая связь» представлено в таблице3.2.
Таблица 3.2
Примерное тематическоепланирование содержания материалов
программы раздела«Строение вещества. Химическаясвязь»
| № | Содержаниевопроса | Методическиеприёмы и организационные формыобучения | Использованиекомплекса и его компонентов |
| 1 | Историческиемодели строения атома | Рассказ идемонстрация сложного строения атома, егоядра и электронных оболочек. | Таблица 1.«Исторические модели строения атома».Разные модели атома. |
| 2 | Состав и важнейшиехарактеристики атома. Устойчивыеэлектронные оболочки. | Модельныйэксперимент по проверке устойчивостиэлектронных оболочек, проводимый с помощьюраздаточного набора «Кольцегранник».Компьютерный урок с использованиемдемонстрационных или обучающихпрограмм. | Таблица 2. «Строениеатома». Раздаточный набор «Кольцегранник».Обучающая компьютерная программа «Глобусатома» часть 1. |
| 3 | Периодическийзакон и периодическая системахимических элементов Д. И. Менделеева; | Изучение общеговида периодической системы химическихэлементов Д. И. Менделеева. Демонстрацияфрагмента фильма, посвященного строениювещества. Компьютерный урок. | Видеофильм«Путешествие в Наномир». Компьютернаяобучающая программа «Глобус атома» часть 2.Кольцегранные модели. |
| 4 | Строение и свойстваэлементов первого и второгопериодов | Рассказ идемонстрация моделей. | Таблица 3.«Электронные оболочки атомов».Кольцегранные и орбитальные модели. |
| 5 | Галогены. Строениеатомов элементов 7А группы | Фронтальная работапо моделированию электронной оболочкигалогенов | Лабораторнаяработа 1е, 2. Раздаточный набор«Кольцегранник» |
| 6 | Ионная связь, еёобразование. Заряды ионов. Понятие степениокисления. | Составлениекольцегранных моделей ионов сиспользованием уже собранных моделейгалогенов. | Использованиетаблицы 7. «Ионная связь». Раздаточныйнабор «Кольцегранник» |
| 7 | Неполярные иполярные ковалентные связи. Простые исложные вещества. | Фронтальные работыпо моделированию процессов образованияхимических связей (H2, HCl, Cl2). | Использованиетаблицы 8. «Ковалентная связь». Раздаточныйнабор «Кольцегранник». |
| 8 | Углерод. Строениеатома и проявление валентности. Строениемолекулы метана. | Рассказ. Проведениефронтальных работ по моделированию метана. | Таблица 4. «Моделистроения веществ». Кольцегранные,орбитальные и масштабные модели. |
| 9 | Вода. Электронноестроение молекулы H2O. Геометрия молекул. | Демонстрации.Проведение фронтальных работ помоделированию молекул воды. Ответы навопросы. | Таблица 4. «Моделистроения веществ». Раздаточный набор«Кольцегранник». |
| 10 | Одноатомныеспирты. | Лабораторнаяработа 11. Изготовление моделей метиловогои этилового спиртов: CH3OH, C2H5OH | Кольцегранные имасштабные модели. Набор«Кольцегранник». |
| 11 | Подгруппакислорода. Аллотропия серы и кислорода. | Рассказ и обращениек таблице периодической системыхимических элементов Д. И.Менделеева. | Кольцегранные иорбитальные модели. Раздаточный набор«Кольцегранник». |
| 12 | Неорганическиекислоты | Рассказ окислотах, сопровождаемыйдемонстрацией. Для закрепления материалапроведение практической работы. | Практическаяработа № 8. «Строение молекулы сернойкислоты (H2SO4)».Раздаточный набор «Кольцегранник» |
| 13 | Виды ковалентныхсвязей. | Демонстрации ирассказ. Проведение практической работы:«Построение моделей кислорода (O2) и углекислого газа(CO2)» | Таблица 8.«Ковалентная связь». Масштабные и кольцегранныемодели. |
| 14 | Предельные инепредельные углеводороды. Алкены,алкины. | Демонстрация ипостроение графических схем и моделейэтилена, ацетилена (C2H2). | Лабораторнаяработа 14. «Построение модели ацетилена(C2H2)». |
| 15 | Ароматическиеуглеводороды. Строение молекул. | Практическаяработа №12: Моделирование молекулыбензола (C6H6). | Скелетные,кольцегранные и масштабные модели. |
Подробнее рассмотримнекоторые темы принципиально важные дляформирования полноценного ивзаимосвязанного знания.
Желательно хотя быкратко познакомить учащихся с эволюциейразвития знаний о строении атома. Этоможно осуществить с помощью таблиц имоделей (экранных и материальных -демонстрационных). Таблица 1. «Историческиемодели строения атома» серии 2. «Строениевещества» (приложение 4) кратко отражаетисторические этапы развития знаний остроении атомной системы.
Исторические моделистроения атома
Для рассмотрения этогоматериала целесообразна следующаяпоследовательность. Первой в таблице 1приложения 4 показана модель атома ДжозефаТомсона, согласно которой атом имеетсложную структуру, но неопределенную,вроде «булки с изюмом», где изюм – отрицательнозаряженные частицы, внедренные вположительно заряженное «тесто».
После экспериментовЭрнеста Резерфорда по рассеянию частиц натонкой металлической фольге, стало ясно,что в атоме есть положительно заряженноеядро. Оно имеет очень малый размер, но почтився масса атома (больше 99.9 %) сосредоточенав ядре. Основной объём атома занимаютотрицательно заряженные частицы(электроны). По сравнению с частицами ядра–«нуклонами», электроны очень лёгкие– почти в 2000 разлегче, за что названы «лептонами». Зарядыэлектрона («лептона», имеющегоотрицательный заряд) и протона(«нуклона», имеющего положительныйзаряд) имеют разные знаки, но равны повеличине. Отрицательный заряд окружаетположительное ядро и делает атомнейтральным, если эти заряды равны (есличисло протонов в ядре равно числуэлектронов в атоме).
Нильс Бор предложил«планетарную» модель атома: отрицательныечастицы малого веса и малого размерадвижутся по орбитам вокруг тяжелогоположительного ядра (как планеты всолнечной системе вокруг солнца).Движущиеся заряды по правиламэлектродинамики должны излучать, а значит,теряя энергию на излучение, быстро «упастьна ядро», притянувшись к нему. Так какрешить этот парадокс невозможно, Боромбыли сформулированы постулаты(неочевидные утверждения, которые пока немогут быть доказаны, но необходимы дляработоспособности модели). Борпостулировал, что есть некотороеколичество таких стационарных орбит, накоторых электрон находиться без излученияпроизвольно долгое время, а излучает (илипоглощает) энергию порциями только припереходах с одной такой орбиты на другую.
Позже была предложенадругая модель, не требующая постулатов. Луиде Бройль предложил мыслить электронколеблющейся струной, замкнутой в кольцо. Вкольце могут возникать целые количествастоячих волн. Такая «волновая» модельэлектрона, занимающего весь объём атома, нетребует объяснений стабильности атома.Большой и лёгкий электрон не может упастьна маленькое и тяжелое ядро, находящееся вего центре. А энергия связи электрона сядром связана с количеством стоячих волн,уложенных в кольцевой струне. Движениераспределенного заряда электрона посложной, но замкнутой траектории неприводит к излучению энергии до тех пор,пока не будет меняться количество длинволн, уложенных в кольце. Само число длинволн, уложенных в кольце, объясняетцелочисленный характер главногоквантового числа – числа, связывающего величиныэнергий связи электронов в атоме на разныхэнергетических уровнях. Нильс Бор, какдиректор института имел большойобщественный вес и огромный опытпреподавательской работы. Вероятно,поэтому в учебниках закрепилась именно«планетарная» модель, сопровождаемаяпостулатами, а модель де Бройля легла воснову волновых и квантово-механическихпредставлений о строении атома иэлементарных частиц, егосоставляющих.
Эрвин Шредингерэмпирически подобрал уравнение, похожее науравнение колебания струны, с помощьюкоторого можно вычислять энергии связиэлектронов в атоме в разных состояниях (наразных энергетических уровнях). В этойматематической модели уже нерассматривается динамический характерустройства атома. И даже нерассматривается вопрос о размереэлектрона как частицы. Считается, чтоэлектроны занимают определенныеэнергетические уровни и излучают (илипоглощают) энергию при переходах на другиеуровни. Этой численной моделью пользуютсядля квантово-механических расчетоввеличин энергий связи. Также с её помощьюопределяют плотность распределенияотрицательного заряда вокруг ядра илисистемы ядер, области повышенной илипониженной электронной плотности.
Для приданиянаглядности таким понятиям была созданатеория молекулярных орбиталей и придуманонесколько конкретных форм орбиталей: шар,объёмная восьмерка, двойная объёмнаявосьмёрка и тройная объёмная восьмёрка (s, p,d, f). Теорию и модели молекулярных орбиталей(сокращенно МО) используют в химии, аупрощенные модели в школьном курсе химии.Несмотря на упрощенный характер форморбиталей: s –шар, p –объёмная восьмерка, орбитальными моделямипользоваться сложно. Орбитали постоянноизменяют свою форму и гибридизируют междусобой разными способами (sp, sp2, sp3,...), образуя разныевиды связей (сигма, пи, смешанные виды). Приэтом высшие формы (d, f) и их гибриды в школетолько упоминают, без рассмотрения. Крометого модели страдают слабой наглядностьюпри объяснении взаиморасположенияэлектронов в сложных атомах, а это являетсянеобходимым для формированиядееспособного знания. Правильноепредставление о количественномраспределении электронов в атоме важно дляобъяснения строения атома, демонстрациираспределения электронов по оболочкам (илиуровням, характеризующимся определеннойэнергией связи в атоме), тем более чтоПериодическая система химическихэлементов Д.И. Менделеева построена наоснове существования устойчивыхэлектронных оболочек. Их устойчивость– основапериодического закона.
Для наглядногообъяснения количественного распределенияэлектронов по слоям (устойчивым оболочкам)в атоме используется кольцегранная модельКеннета Снельсона. Устойчивостьэлектронных оболочек демонстрируетсяучителем с помощью кольцегранных моделей,в которых все электроны обозначеныкольцами двух цветов (либо двухцветнымикольцами, имеющими магнитные свойства).Цвет колец, обозначающих электроны,позволяет обозначить различия электронов,связанные с наличием внутреннего свойствавращения, или «спин»: «+» или «–» (или кольца, имеющиесвойства кольцевых магнитов).Кольцегранные модели отличаютсяоднотипностью изображения электронов иочевидностью взаимного расположенияэлектронов в оболочке. Также возможноодновременное изображение всех электроноватома или сложной атомной оболочки идемонстрация равномерного распределенияэлектронов в оболочке (с учетомчередования их свойств внутреннеговращения –«спин»).
Из двух кольцевыхмагнитов получается модель первойустойчивой оболочки, из восьми – модель второйзавершенной оболочки. Аналогичнополучаются модели остальных устойчивыхоболочек (из 18 и 32-ух электронов).
Для объяснения учебногоматериала по темам, связанным с изучениемоснов квантовой механики, в частностицелочисленного главного квантового числаи связанной с ней кратностью энергий связиэлектрона в атоме используетсяволногранная модель, аналогичнаякольцегранной, но содержащая в каждомэлектроне - кольце целое число волн(аналогично модели де Бройля).
Приведённая здесьподробная методика преследует пониманиеучащимися развития представлений остроении атома, в частности:
а) о каждом периодеразвития научных представлений,отражающих современный уровень развитиязнаний;
б) о формированиинаучных методов моделирования и ихзадачах.
Как отмечал ПидкасистыйП. И. [85 стр. 87], «овладеть научным понятиемможно на трех уровнях: описание явления,его объяснение и управление им».Сформировать у учащихся понятия о строениивещества и привести их в систему - значитвыполнить лишь начальную частьучебно-педагогической задачи. Полное еепретворение в жизнь заключается в том,чтобы выработать у учащихся умениеприменять приобретенные знания в процессепоследующего изучения курса химии,добиться того, чтобы усвоенныетеоретические знания стали научнымметодом дальнейшего познания. Этомуспособствует организацияэкспериментальных работисследовательского и проблемногохарактера. Формой проведения таких занятийявляется не только самостоятельная, но иколлективная содеятельность учащихся ипедагога. Самым результативным дляусвоения информации является проведениемодельного эксперимента. Модельныйэксперимент выступает как учебная форманаучного познания.
Для проведениямодельного эксперимента можноиспользовать специально разработанныйраздаточный набор для моделирования форматомов и молекул в виде кольцегранников.При использовании набора длямоделирования кольцегранных оболочекатомов и молекул используются примерноследующие рассуждения. В атоме каждоеотрицательно заряженное кольцо (электрон)стремится занять такое положение, чтобыядро находилось в его центре. Но еслиэлектронов более одного, то это становитсяневозможным, и они располагаются вокругядра, преимущественно стремясь оказатьсяравноудаленными от ядра. При таком способемоделирования электронные оболочкивыглядят многогранниками, граникоторых представлены кольцами, за что иназваны “кольцегранниками”. В этихфигурах число колец соответствуетколичеству электронов на оболочке.Кольцегранники из 2, 8, 18 и 32-х колец являютсямоделями самых устойчивых электронныхоболочек (рис. 2, 3, 4, 5). Они близки ксферической форме и отличаются наибольшимчислом осей симметрии: кольцарасполагаются в гранях взаимнопересекающихся правильных многогранников(так называемых тел Платона). Длядемонстрации симметрии и устойчивостимодели электронных оболочек желательноделать, используя два контрастных цвета,например, красный и синий.
Таким образом, можнопроводить ознакомление с темой «Строениеатома». В помощь учителю и учащимсяпредлагается таблица 2. «Строение атома»серии «Строение вещества» (приложение 4).Рассмотрим пример работы учителя с этимкомпонентом комплекса.
Строение атома
В центре таблицы 2приложения 4 изображена модельатома:
- ядро атома имеет малыйразмер и состоит из протонов (положительнозаряженных частиц, обозначаемых p+) и нейтронов (частиц,заряд которых равен нулю и обозначаемыхn0);
- радиус ядра атомачрезвычайно мал (он может составлять однустотысячную радиуса всего атома), а массасоставляет больше 99.9 % от массыатома;
- основной объём атомазанят электронными оболочками,составленными из различного количестваэлектронов (частиц, имеющих отрицательныйзаряд и обозначаемых e);
- электронные оболочкирасполагаются слоями вокруг ядра атома.
Сопоставление размероватома и его ядра должно привести учащихся кубеждению о сложном строении егоэлектронных оболочек.
Строение атомаизучается в школьном курсе физики.Межпредметные связи способствуютформированию целостных представлений опредмете. Но, если в курсе физики основнойакцент ставится на ядро атома, то в курсехимии основное внимание уделяетсяэлектронным оболочкам. Несмотря начрезвычайно малую массу по сравнению смассой ядра, именно электронные оболочки,особенно вид и форма внешней оболочки,определяют химические свойства атома, атакже формы молекул и кристаллов. Поэтомуправильное представление овзаиморасположении электронов в атомах, иособенно на внешней оболочке, являетсянеобходимым для формирования полноценногознания. При объяснении строения атомаважно показать не только распределениеэлектронов по атомным оболочкам (илиуровням, характеризующимся определеннойэнергией связи в атоме), но и объяснитьзакономерности их взаиморасположения,которые являются общими не только приформировании атомной, но также имолекулярных оболочек.
Каждый элемент вПериодической системе химическихэлементов Д. И. Менделеева (общий видобозначения приведен в левом верхнем углутаблицы) характеризуется зарядовым числом– Z (количествопротонов в атоме) и атомным числом – A (суммарноеколичество протонов и нейтронов), а такжеположением в таблице, определяемым видом истепенью завершённости его электронныхоболочек. Периодическая системахимических элементов Д. И. Менделеевапостроена на основе существования в атомеустойчивых оболочек. Основапериодического закона – особеннаяустойчивость некоторых электронныхоболочек.
Рассмотрениеэлектронного окружения ядра атомацелесообразно начать с электронных схемстроения атома с цифровыми обозначениямиколичества электронов на каждой оболочке.Для наглядности оболочки пронумерованы наизображении модели атома в разрезе и наэлектронных схемах атомов под моделью,приведенных в качестве примерапоследовательного расположения оболочек вразных атомах.
Демонстрация строенияэлектронных оболочек проводится учителемс помощью кольцегранных моделей. В моделяхкольца обозначают электроны оболочки.Учитель либо демонстрирует уже собранныемодели, либо моделирует образованиеэлектронной оболочки, предлагая ученикамфронтальную работу по моделированиюоболочек вслед за учителем. Тогда плоскиеизображения моделей на таблице становятсяболее понятными учащимся и облегчаютдальнейшее моделирование более сложныхэлектронных структур молекул. Далееучитель снова обращается кдемонстрационной таблице.
В кольцегранныхмоделях могут использоваться магнитныекольца; кольца немагнитные, нообозначающие собой кольцевые магнитысвоей расцветкой (красно-синие); либокольца разных двух цветов. В последнем(самом распространённом случае) разныйцвет колец обозначает два вариантарасположения электронов в оболочке,связанные с наличием у электрона свойствавнутреннего вращения, или «спин»: «+» или«–». Понятиеспин (или внутреннее вращение)электрона связывается с вращением зарядаэлектрона по кольцу либо по, либо противчасовой стрелки, или с направлениеммагнитных силовых линий от южного ксеверному магнитному полюсу внутрикольцевого магнита (или от «+» к «–»), что традиционнообозначается в моделях красным и синимцветом. Вектор спин обозначается значком sи показан стрелкой, перпендикулярнойплоскости кольца и выходящей из его центра.Направление вектора спин определяется взависимости от направления движениязаряда по кольцу. Эта информация неявляется сложной для понимания учащимися,поскольку известна из курса физики:направление вектора спин определяется поправилу буравчика, но в обратную сторону,так как движение отрицательного зарядаэквивалентно движению положительногозаряда в обратную сторону. На таблице этопоказано схематически и выделено цветомколец (вверху справа).
Кольцегранные моделидемонстрируют формирование строгоопределенных электронных оболочек в атоме.Из колец двух цветов (или двуцветных колец,расположенных разными цветными сторонамик ядру и от ядра) возможно построениеопределенного количества кольцегранников,в которых соприкасаются кольца толькоразных цветов. Наиболее симметричные изних являются моделями завершенных, илиустойчивых электронных оболочек. Ониизображены на таблице по возрастаниюколичества электронов.
С помощью кольцегранныхмоделей показываем устойчивостьэлектронных оболочек, объясняющихпериодический закон и Периодическуюсистему химических элементов Д.И.Менделеева. Кольцегранные модели отражаютполное электронное строение атома. С ихпомощью отвечаем на вопрос, почему наустойчивых оболочках расположено именнотакое количество электронов. Новымдидактическим качеством кольцегранныхмоделей является не только демонстрацияустойчивости определенных электронныхоболочек в атоме, определяющих видПериодической системы химическихэлементов Д.И. Менделеева, но возможностьпроведения модельного эксперимента дляпроверки их устойчивости. Кольцегранныемодели позволяют проводить модельныйэксперимент по определению и проверкеколичества электронов, составляющихустойчивые оболочки. Существеннооблегчает усвоение материалаиспользование компьютерных средств, вчастности ознакомительных или обучающихкомпьютерных программ, с которыми можнопроводить занятия в компьютерном классе.Например, обучающая компьютернаяграфическая программа “Глобус атома”,которая содержит элементы игры ипредназначена для использования в 8-10классах средней образовательной школы.
Обучающая компьютернаяграфическая программа “Глобус атома”состоит из двух частей.
Часть 1. «Глобус атома»знакомит учащихся с устойчивостьюэлектронных оболочек. 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.
Интерактивное изучениеустойчивости электронных оболочек в формекомпьютерного урока позволяет учащимсяпроверить устойчивость всех, особенносложных 18-ти и 32–ух, электронных оболочек без потеривремени на их длительную сборку в видематериальных моделей.
Простые модели первыхдвух электронных оболочек полезно уже напервых уроках сконструировать во времяпроведения фронтальной работы. При наличиинаборов «Кольцегранник» осуществляетсясборка моделей завершенных электронныхоболочек из 2 и из 8 колец - электронов. Оченьудобным для сборки кольцегранниковявляется использование магнитных колец(или специальных магнитных наборов).
В процессе работы скомпьютерной программой (или проведениясамостоятельной работы по моделированиюкольцегранных моделей электронныхоболочек) у учащихся возникает вопрос обустойчивости симметричных моделейоболочек из 10 и 14 колец. Если такой вопросне возникает, то учитель может самакцентировать на этом внимание дляпонимания процесса формированияэлектронных оболочек атома. Моделизавершенных симметричных оболочек из 10 и 14колец отличаются правильным чередованиемцветов контактирующих между собой колец,но эти оболочки не образуют периодов вПериодической системе химическихэлементов Д.И. Менделеева. Оболочка из 10электронов характеризуется слабойсимметрией: она имеет только одну осьсимметрии. Оболочка из 14 электронов имеетоси симметрии, аналогичные оболочке из 8электронов, но в атоме не реализуется, таккак входит в конфликт с оболочкой из 8электронов, находящейся внутри 14-тиэлектронной. При построении двухцветныхмоделей и помещении 8 внутрь 14 становитсяочевидной их несовместимость спин, илимагнитных свойств, что приводит к слабойустойчивости 14-ти электронной оболочки иее достраиванию до 18-ти электронной.
Размер колец,составляющих модели электронных оболочек,отражает величину энергии связиэлектронов атомной оболочки и зависит отудаленности оболочки от ядра и количестваэлектронов на оболочке. Зависимостирадиуса кольца, обозначающего электрон, отзаряда ядра, воздействующего на него,позволяет качественно объяснить изменениеразмеров электронных оболочек,позволяющее помещать внутренние оболочкииз большего количества электронов в объемвнешних оболочек, из меньшего количестваэлектронов. Например, размер первыхоболочек атомов элементов первого периодаможет отличаться в десятки (и дажесотни) раз от размеров первых оболочекэлементов 4 и 5 периодов, потому что зарядядра, воздействующий на электроны оболочкив этих атомах, отличается в десяткираз.
Изучение устойчивыхэлектронных оболочек в атомах позволяетподробно рассмотреть строение атома.Электронная конфигурация атомов, имеющихдве и более электронные оболочки,моделируется в виде несколькихкольцегранных фигур, вложенных одна вдругую и имеющих общий центр, совпадающий сядром атома. Например, атом неона (Ne)изображается в виде двух колец, лежащих впараллельных плоскостях, внутри фигуры извосьми колец, сделанных из трубочексредней длины (таблица 1 приложения 4). Примоделировании атомов, имеющих несколькоэлектронных оболочек, рекомендуется длянаглядности делать каждую оболочкукаким-либо одним цветом. Особойнеобходимости в этом нет, посколькузначение имеет показ конкретного способамоделирования и его результат. Вбольшинстве случаев для демонстрациидостаточно собирать только модель внешнейоболочки из восьми электронов, пренебрегаяизображением внутренних.
Для изучениявзаимосвязи электронного строения атомаэлемента с его химическими свойствамиучитель использует таблицу 3. «Электронныеоболочки атомов» серии 2. «Строениевеществ». Рассмотрим, как содержаниетаблицы 3 позволяет знакомить учащихся сэлектронным строением элементов второгопериода путём сопоставления электронныхсхем строения атома, орбитальных икольцегранных моделей и делатьпрогностические выводы о химическихсвойствах веществ на основании ихэлектронного строения.
Электронные оболочки атомов
Электронная схема– это знаковаямодель, которая не представляет объёмногообраза электрона и электронной оболочки.Она удобна для отраженияпоследовательности заполненияэлектронных слоев и каждой электроннойоболочки. Разнонаправленность стрелок,обозначающих электроны, позволяетобозначать фундаментальное свойствоэлектронов, «спин», или наличие у нихвнутреннего вращения: «+» или «–».
Далее в таблицепредставлены орбитальные модели.Традиционно в курсе химии используютпонятие электронной орбитали. Электроннаяорбиталь – этообласть пространства, в котороймаксимальна вероятность обнаруженияэлектрона (как трактуется это в физике) илиобласть пространства, в которойсконцентрирована его электроннаяплотность (как это трактуется в химии).Орбитальные модели предназначены дляотражения пространственногораспределения электронной плотности вобъёме атома. Различные формы электронныхорбиталей и их видоизменения должныотражать процессы образования химическихсвязей. Орбитальные модели являютсяупрощенным отражением более сложныхнаучных моделей. Несмотря на упрощённыйхарактер используемых в школе формэлектронных орбиталей, они оказываютсясложными для изучения, поскольку для ихиспользования приходится вводить многодополнительных понятий, таких каквзаимопроникновение, перекрывание,гибридизации разных видов: sp, sp2, sp3 и другие. Также наорбитальных моделях затруднено изучениепонятия спин электрона. Использованиеорбитальных моделей полезно учащимся,особо интересующимся химией или нафакультативных занятиях.
Во второй половине 20века появились кольцегранные модели, болеепростые в изучении и использовании.Использование кольцегранных моделейпозволяет демонстрировать формированиеэлектронных оболочек в атоме без введениядополнительных понятий. Фундаментальноесвойство электрона - спин (иливнутреннее вращение электрона)определяется в моделях с движением зарядаэлектрона по кольцу по или против часовойстрелки. Движение заряда (ка это известноиз курса физики) приводит к появлениюмагнитных свойств у такой моделиэлектрона, что объясняет стремлениеэлектронов к спариванию в атомныхоболочках. Изображение магнитных свойстввозможно прямым использованием кольцевыхмагнитов или же символическимобозначением в моделях колец красным илисиним цветом (при возможности используютсядвуцветные кольца: одна сторона красная,другая синяя).
С помощью кольцегранныхмоделей наглядно и доступнорассматриваем:
а) электронное строениеатома и образование устойчивыхэлектронных оболочек, объясняющихпериодический закон и Периодическуюсистему химических элементов Д.И.Менделеева;
б) влияние электронногостроения на окислительные ивосстановительные свойстваэлемента;
в) атомные размеры и егосравнительную реакционнуюспособность;
г) увеличениеколичества электронов на валентнойоболочке и связанное с этим изменениесвойств элементов в периоде.
Кольцегранные моделиобъединяют в себе достоинства иэлектронных схем и орбитальных моделей:
а) простота иоднотипность изображения электронов;
б) наглядноеизображение спин характеристики;
в) возможностьодновременного изображение всехэлектронов атома при сохраненииочевидности структуры каждой электроннойоболочки;
г) наглядностьраспределения электронов в атоме пооболочкам;
д) равномерноераспределение электронов в оболочке сучетом их спин взаимодействий;
е) взаиморасположениепар электронов и неспаренных электронов вобъёме;
ж) демонстрациянезавершенности оболочки и оценкареакционной способности элемента взависимости от вида его внешнейэлектронной оболочки.
Помимо перечисленных,кольцегранные модели имеют и новыедидактические возможности: демонстрацияустойчивости определенных электронныхоболочек в атоме, определяющих видПериодической системы химическихэлементов Д.И. Менделеева и возможностьпроведения модельного эксперимента дляпроверки их устойчивости.
Ниже предложена логикаизучения материала, не нарушающая должнуюпреемственность понятий и способствующаяформированию фундаментального целостногознания. Оптимальным приёмом обученияявляется диалог учителя с классом свключением фронтального фрагментарногомоделирования.
В атоме лития (Li) параэлектронов внутренней оболочки с разнымиспин характеристиками обозначена двумякольцами разных цветов, расположеннымипараллельно и симметрично относительноядра. Один неспаренный электрон внешнейоболочки занимает явно неустойчивоеположение. Такое положение электронавнешней оболочки определяет повышеннуюреакционную способность атома, его сильныевосстановительные свойства.
Модель электронныхорбиталей атома лития менее информативна,но также показывает спаренные две s-орбитали первой оболочки и однунеспаренную s- орбиталь внешней оболочки ввиде шаров разного размера. Неспаренностьорбитали внешнего электрона обозначаетсяменее ярким цветом.
Каждый последующийэлемент отличается на один электрон и наодно зарядовое число ядра.Последовательность застройки электроннойоболочки по длине периода видна какувеличение числа колец, обозначающихэлектроны, на второй от ядра оболочке.Увеличение заряда ядра подразумевается, ноникак не отражается в моделях электронныхорбиталей, а в кольцегранных моделяхпоказано косвенно, меньшим размером колец,обозначающих электроны. Вообще размерколец, обозначающих электроны, зависит отзаряда ядра и близости оболочки к ядруатома.
На кольцегранной моделиатома бериллия (Be) видно, что электронырасположены симметрично, относительноядра. На орбитальной модели показаноцветом, завершенность второго s-слоя. Но этосправедливо только для атома (Be), внешняяоболочка которого тождественна внутреннейи в силу симметричности кажетсязавершенной.
К атому бора (B)применимо общее правило застройкиэлектронной оболочки: электроны сначалазанимают все свободные неспаренныеорбитали (правила Хунда). Однако потрадиции, принятой ещё в 50-е года прошлоговека, s- орбитали показывают всегдаспаренными. На орбитальной модели показаныспаренных две s- орбитали и одна p-орбиталь, что не соответствует правилузаполнения орбиталей (правило Хунда), ноисправляется при объяснении образованияхимической связи с помощью введения впонятия возбуждения и распаривания s-орбиталей и дальнейшей их гибридизациисовместно с p- орбиталью. Таким образом, спомощью использования понятия огибридизации s- и p- орбиталей, объясняютсяформы соединений атомов бора,характеризующиеся углами 120 всоединениях BCl3или B(OH)3.
При использованиикольцегранных моделей не требуетсявведения понятия гибридизации. Накольцегранной модели атома бора всеэлектроны внешней оболочки показаныодинаковыми кольцами одного цвета. Трикольца, обозначающие электроны внешнейвалентной оболочки атома, взаимнорасполагаются так, чтобы бытьравноудаленными от ядра (в граняхтреугольной призмы). Углы между ихнормалями составляют 120, чтопри образовании связей приводит каналогичной величине валентных углов120.
Изображениеслабосвязанных валентных электроновэлементов 1, 2, и 3 групп в виде кольцегранныхмоделей конструктивно затруднено, так каккольца, их изображающие, не должнысоприкасаться. При проведении фронтальныхработ рекомендуется моделироватьэлектронные оболочки, начиная с элементов 4группы главных подгрупп. Они представляютсобой или восьмигранники, в которых нехватает нескольких колец, или завершенныевосьмигранники, в которых «неспаренныеэлектроны» изображаются сразу парой колец:одно из которых цветное, изображающееэлектрон, а второе, расположенное напротивпервого, –бесцветное, подчёркивающее его«неспаренность» (рис. 1). Такимобразом, в моделях недостающие дозавершения оболочки электроны (илинезаполненные орбитали) изображаютсябесцветными кольцами (рис. 17, 32).
Атом углерода (С) имеетна внешней оболочке 4 электрона. Наорбитальной модели это показанопоявлением второй неспаренной p- орбитали.Соединение углерода с ординарными связями– метан(CH4)характеризуются углами 109. Дляобъяснения образования такого простогосоединения с помощью орбитальных моделейприходится использовать понятие огибридизации s- и p- орбиталей, предваряя егопонятием перехода атома в возбужденноесостояние и распаривания s–орбиталей.
При использованиикольцегранных моделей всего изложенноговыше не требуется. Кольца, обозначающиеэлектроны внешней валентной оболочкиатома углерода взаимно расположены впространстве таким образом, чтобыобеспечить максимальную взаимную и равнуюудаленность - то есть в гранях тетраэдрапод углами 109.Синий цвет колец обозначаетодинаковую спин характеристику - всеэлектроны внешней оболочки неспаренные.Оболочка не завершена. Атомреакционноспособен. Четыре незаполненныхорбитали показывают, что его валентностьравна четырем. Причем как в сторонуокисления, так и восстановления.
У азота (N) только тринезаполненных орбитали, что объясняет еговалентность как окислителя, равную трем, акак восстановителя три и пять.
Как отмечают методисты[57], важно, чтобы учащиеся имелипредставление не только о числе электроновна внешней оболочке атома, но и о том, какони распределены по орбиталям. Обычно дляэтой цели используются схемы заполненияорбиталей. Кольцегранные модели позволяютэто демонстрировать на модельномэксперименте. Например, наличиенеспаренных электронов в оболочке можетизображаться наличием бесцветныхколец. Они располагаются напротивцветных колец и обозначают отсутствиеэлектрона с противоположным знаком спин.Они же представляют собой вакантные местадля акцепторных электронов или атомовводорода. Например, шесть электронов атомакислорода на внешней оболочкераспределяются таким образом, чтосоставляют незавершенную фигуру из восьмиколец (кольцегранный октаэдр), в которой нехватает двух колец до завершения оболочки.Эти два вакантных места в оболочкекислорода могут быть заполненыакцепторными электронами или электронамиатомов водорода (рис. 25). Такая модельсоответствует объяснению электроннойсхемы [57, с. 41]: в молекуле воды дванеспаренных электрона связывают атомкислорода с двумя атомами водорода.Подробнее строение молекулы водырассматривается в таблицах 4. «Моделистроения веществ» и 11. «Водородная связь»серии 2 «Строение веществ» (приложение 4).
Размеры колец,составляющие кольцегранные модели,отличаются. Их размер качественно отражаетвеличину энергии связи электронов воболочке. Чем больше энергия связиэлектрона в оболочке, тем меньше радиускольца, моделирующего электрон. А чемменьше ковалентный радиус, тем большеэлектроотрицательность, или такназываемое сродство к электрону. Впредставленном ряду у атома фтора радиуснаименьший, а электроотрицательностьнаибольшая. Он проявляет максимальныеокислительные свойства.
Одновременноеиспользование для обучения как минимумэтих трёх рассмотренных моделей:электронная схема, кольцегранная иорбитальная модели, обеспечиваетнаиболее полное изучение материала принедостаточном количестве академическихчасов, выделенных на предмет. Привозможности рекомендуется использованиемоделей Гилеспи (электронных пар) иусложнённых кольцегранных моделей,скомбинированных с моделями магнитныхсиловых линий в виде спиралей, обвивающихкольца, более наглядно изображающихвзаимодействие электронов воболочке.
При изучении вопросов,имеющих отношение к теме «Строениевеществ», полезно использовать различныемодели строения веществ. Для методическойподдержки следует сочетать моделированиес использованием таблицы 4. «Моделистроения веществ» одновременно с таблицей3. «Электронные оболочки атомов», так какмодели строения веществ рассматриваютсяна примерах соединений веществ 2периода.
Модели строениявеществ
В таблице представленытри типа объёмных моделей. Первый – это масштабнаямодель (Стюарта- Бриглеба), представляющаясобой целый класс однотипных простыхмоделей (включая скелетные ишаро-стержневые) не отражающих электроннуюструктуру моделируемых соединений; второй- это кольцегранная - наиболееинформативная модель, отражающая подробноэлектронную структуру веществ; третий– этоорбитальная модель, рассматривающая виды иизменения электронных орбиталей впроцессе образования химических связей.
Такое сочетаниепозволяет соблюсти определённуюпреемственность при изучении строениявеществ, а использование комплексаразличных приёмов моделирования и видовмоделей способствует пониманию иформированию целостных представлений обособенностях химической связи, структурывеществ, их свойств.
В таблице используетсяобщепринятое цветовое кодирование:салатовый цвет – хлор, черный – углерод, красный – кислород, голубой– азот, зелёный– фтор,желтовато –белым обозначен водород, серым – бор.
Масштабная модельметана (CH4)выглядит комбинацией одного усечённогоплоскостями чёрного шара - атома углерода ичетырёх желтых усечённых шаров – атомовводорода.
На орбитальной моделипоказан результат гибридизации s- и p-орбиталей и спаривания четырёхгибридизированных орбиталей углерода сорбиталями атомов водорода приобразовании связи.
Метан (CH4) имеет на внешнейоболочке 4 электрона углерода, которые впроцессе образования химической связиспариваются с электронами атомов водорода.На кольцегранной модели это показанопарным расположением черных колецуглерода напротив бело - жёлтых колецводорода. Электроны образуют парусимметрично относительно ядра атома.Четыре таких пары образуют завершеннуюмолекулярную оболочку. Над центрами жёлтыхколец находятся ядра атомов водорода. Дляотличия от более крупных ядер они показаныоранжевым цветом. Они не находятся ровно вцентре жёлтых колец из-за отталкивания отядра атома углерода.
Использованиекольцегранных моделей необходимо сочетатьс традиционными способами закреплениязнаний, например, используя опорные схемы итренировочные упражнения, построенные поразделу «Углероды» [95]. Схема 1: Метан,строение молекулы метана, ковалентныесвязи C-H, направление связей определяетсявалентным углом 10928', типкристаллической решетки – молекулярная.Кольцегранная модель молекулы (рис. 21,таблица приложения 1) метана вполнеподходит для демонстрационных целей, таккак позволяет наглядно отобразить всёперечисленное в схеме 1. Схема 2:Гомологический ряд метана CnH2n+2 -общая формула предельныхуглеводородов (алканов), валентные углы10928', строение цепи – зигзагообразное, сходныехимические свойства, тип кристаллическойрешетки –молекулярная. Моделирование соединений посхеме 2 в виде кольцегранниковосуществляется соединением изготовленныхранее моделей простых атомов и молекул.Например, для моделирования этанола, илиэтилового спирта (рис. 29) нужно взять модельмолекулы метана (рис. 21) и заменить дваатома водорода соответствующимирадикалами -OH и -CH3 (рис. 26, 27).
В таблице 4 (приложение 4)представлены разные модели молекулы воды.В молекуле воды (H2O) два водородных радикала.Деформация валентного (тетраэдрического всимметричном октаэдре) угла достигаетвеличины 104.5.На масштабной и орбитальноймоделях это показано в декларативнойформе. С помощью кольцегранной моделиможно объяснить уменьшение валентногоугла. Водородные радикалы отличаютсяменьшим размером колец, моделирующих атомыводорода, что и приводит к деформации всейэлектронной оболочки молекулы суменьшением валентных углов.
Расположение ядератомов водорода вне центров электронов– колец из-заотталкивания от центрального ядрамолекулы является причиной их повышеннойподвижности, а также способности кобразованию водородных связей, котораячасто реализуется молекулами аммиака иводы.
При необходимостивозможна модельная демонстрация отличиягидроксил иона OH от одной молекулы воды (корректнейеё называть структурной единицей воды):H2O. МодельH2O состоит изшести колец среднего размера красногоцвета –электронов кислорода и двух колец желтогоцвета малого размера – атомов водорода (рис. 19). Отличиеиона OHзаключается в том, что одно из двух колецжелтого цвета, обозначающих водород, имеетсредний размер (рис. 24). Желтый цвет кольца иего размер, больший, чем у атома водорода,обозначает, что этот электрон был захваченатомом кислорода, но из-за отсутствияпротона (или его потери) атомом водорода неявляется.
Вид и относительныеразмеры кольцегранных моделей электронныхоболочек веществ демонстрируютреакционную способность моделируемыхвеществ. Успешному изучению этогоматериала способствует представлениеинформации в проблемно-исследовательскомплане. Постановка проблемы осуществляетсяс помощью заданий (лабораторная работа № 2)и наводящих вопросов. Окислительнаяспособность веществ тем больше, чем ближеоболочка к завершению и чем меньше еедиаметр, то есть чем меньше ковалентныйрадиус и больше энергия связи. Размерыколец, составляющие кольцегранные модели,качественно отражают величину энергиисвязи электронов в оболочке. Чем большеэнергия связи электрона в оболочке, темменьше радиус кольца, моделирующегоэлектрон и, следовательно, меньшековалентный радиус всего соединения.Решение проблемы и усвоение информации овзаимосвязи радиусов колец и энергиисвязи может происходить в процесселабораторной работы. Например, атомгалогена в кольцегранном видеизображается фигурой из семи колец(таблица 4 приложения 4), малый размеркоторых отражает величину их энергии связиэлектронов в атоме. Полезно предложитьучащимся составить разные модели веществ(например, HCl) и сопоставить их пофункциональным возможностям, то есть повозможностям представления тех или иныхособенностей изучения материала.
Масштабные модели(Стюарта-Бриглеба) своими размерамиотражают в целом величины ковалентныхрадиусов элементов или их соединений.Например, в представленном ряду у атомафтора радиус наименьший, аэлектроотрицательность наибольшая. Однакомасштабные модели не отражают электроннуюструктуру моделируемых соединений - с ихпомощью удобно изучать многоатомныесоединения, предварительно изучив ихэлектронное строение с помощьюкольцегранных моделей. Орбитальная модельсоединения HF при полном ее рассмотрениисложна и не информативна, поэтому частоизображается только одна p- орбиталь атомафтора, спаривающаяся с s- орбиталью атомаводорода.
Соединение простейшегоатома - водорода с атомом фтора накольцегранной модели выглядит простовключением атома водорода, а именно, одногоэлектрона в виде кольца вместе с его ядром -протоном в электронную оболочку атомафтора. Электрон атома водородапозволяет завершить электронную оболочкуатома фтора, а притянутый протон позволяетсохранять общий нейтральный зарядсоединения. Однако протон – ядро атома водородастановится подвижным из-за отталкивания отядра фтора. При его отрыве образуются ионыF— и H+. Таким образом,кольцегранные модели позволяютдемонстрировать процессы образованияионов.
Ионная связь образуетсямежду атомами, в сильной степениразличающимися поэлектроотрицательности, например, междутипичными (щелочными) металлами итипичными неметаллами – галогенами. Так еслиатом фтора, обладающий максимальнойэлектроотрицательностью и малымиразмерами, приблизится к сравнительнобольшому атому цезия с почтиминимальной электроотрицательностью, тоатом фтора так сильно воздействует наэлектронную оболочку атома цезия, чтоможет перетянуть к себе его валентныйэлектрон.
Ионнаясвязь
Изучение ионной связижелательно начинать с эксперимента – показа горениянатрия в хлоре. Уместно поставить передучащимися вопрос об условиях реакции иподвести их к предположению о том, что дляначала реакции требуется нагревание. Натаблице «Ионная связь» (приложение 4)схематически рассмотрено взаимодействиеметалла –натрия и неметалла – хлора. Мы видим последовательныепроцессы, приводящие к образованиюположительного иона натрия иотрицательного иона хлора, и соединениеих в кристаллическую решетку хлориданатрия, или поваренной соли которая имееткубическую гранецентрированную решетку,состоящую из равного количества ионовNa+ и Cl–.
Здесь, как и впредыдущем случае, уместно сформулироватьперед учащимися проблему, касающуюсямеханизма образования химической связи, ис помощью кольцегранных моделей подвестиих к её разрешению.
Схема процесса отдачиэлектрона атомом натрия и его присвоениеатомом хлора в таблице показана с помощьюпростых моделей Стюарта-Бриглеба,изображающих все объекты в виде шариков. (Сточки зрения электродинамики нейтральныеатомы вовсе не должны стремиться кпревращению в ионы).
Для объяснения причинпревращения электрически нейтральныхатомов в ионы в таблице помещена схемапроцесса, изображенная с помощьюкольцегранных моделей, отражающихколичество и расположение всех электроноватомов на оболочках. У атома натрия внешняяоболочка состоит из единственногоэлектрона. Это неустойчивое состояниепоказано наличием слабо связанного(незакрепленного) электрона в виде кольца.Для отдачи электрона натрием необходимометалл нагреть (сообщая электронуповышенную подвижность) и поместить вбанку с хлором. У атомов хлора внешняяоболочка составлена из семи электронов,образующих незавершенную конфигурациюустойчивой оболочки из восьми электронов–кольцегранника, у которого не хватаетодного кольца до созданиясверхсимметричной формы из восьми колец(модель устойчивой завершенной оболочки).Формы электрических и магнитных полей этойнезавершенной оболочки из семи электроновсоздают своего рода ловушку длянедостающего восьмого электрона, которыйпризван завершить оболочку и придать ейправильный симметричный вид. Выигрыш поэнергии связи от завершения оболочкипревышает энергию связи одиночногоэлектрона в атоме натрия. Именно по этойпричине нейтральные атомы переходят всостояние ионов, имеющих завешенныеоболочки: у хлора с избытком одногоэлектрона, у натрия с недостатком.
Полезно здесь ипоставить вопрос об изменении размеровионов по сравнению с размерами атомов. Напримере натрия и хлора проявляется общаязакономерность в изменении размеровположительных и отрицательных ионов посравнению с нейтральными атомами: отдачаэлектрона приводит к уменьшению размеровсоответствующего иона, а присоединениеэлектрона (восстановление) атомом галогена– к увеличениюразмеров соответствующего отрицательногоиона. Кроме того, уменьшение размеровкатиона происходит в большей степени, чемувеличение аниона по сравнению снейтральными атомами тех же элементов. Кэтому выводу учащиеся способны прийти бездополнительных объяснений учителя, тольколишь рассматривая электронное строениеатомов, превращающихся в ионы, посколькуочевидно, что у катиона число электронныхоболочек стало на одну меньше, чем унейтрального атома, а у аниона – осталось безизменения (увеличилось только количествоэлектронов в оболочке).
На схеме процессаобразования ионной пары (Na+Cl –) относительныеразмеры атомов и ионов даныприблизительно. В схеме кристаллапропорции ионов соблюдены.
Возможность соблюденияпропорций ионных радиусов ионов иковалентных радиусов при изображениисоединений с ковалентными связямиявляется важной отличительной чертойнаборов для сборки моделей атомов имолекул в виде кольцегранников, которыеможно предложить учащимся собрать,используя известные примеры (вода, метан).Это качество позволяет акцентироватьвнимание на взаимозависимости энергиисвязи соединения и его относительныхразмеров. На это особенно обращаетсявнимание благодаря необходимостиподготовки длин используемых элементов.Точных соотношений можно добиться, обрезаятрубочки до нужной длины. Для этогодостаточно, используя справочные данные овеличинах ионных радиусов, составитьпропорцию радиусов моделируемых ионов идлин трубочек для сборки. Например,модель ионной пары поваренной солиNa+Cl— (таблица приложения1).
Соблюдение пропорцийдлин трубочек, используемых для сборкимоделей атомов разных элементов, особенноважно при изучении строения органическихвеществ, в частности соединений сковалентныи связями (рис. 30, 31, 34).
Различные видыковалентных связей, одинарные и двойные,полярные и неполярные удобно изучать спомощью кольцегранных моделей.
Ковалентнаясвязь
В процессе изученияприроды химической связи учащиесяприходят к пониманию механизмаобразования ковалентных связей вследствиеобразования общей электронной оболочкидля ядер атомов, входящих в соединение. Этивыводы могут быть сформированы учащимисяпод руководством учителя и сводятся кследующим положениям:
- Ковалентная связь образуется междудвумя атомами в случае объединения ихэлектронных оболочек, что происходит вслучае невозможности образованиязавершенной оболочки у каждогоатома.
- Завершение электронных оболочекпроисходит не за счёт присоединенияэлектрона, что имеет место в ионной связи, аза счёт использования для завершенияэлектронной оболочки одного атомаэлектронной оболочки другого атома. Такимобразом, происходит образование общеймолекулярной оболочки.
- Когда связь образована одинаковымиатомами, то электронная оболочкасимметрично окружает ядра атомов, и мыговорим об образовании неполярной связи.
- Если входящие во взаимодействиеатомы различаются поэлектроотрицательности, то образуетсяполярная связь. Молекулярная оболочка (иэлектронная плотность) смещена в сторонунаиболее электроотрицательногоатома.
Иллюстрацией этихположений являются рисунки и схемы таблицы8. «Ковалентная связь» приложения 4.
Соединение двух атомовводорода в молекулу осуществляетсяэлектронами, что на схеме показано точкамиили стрелочками. На рисунке видно какмасштабные модели атомов водородасоприкасаются и деформируются, чтообозначает перекрывание электронныхорбиталей в молекуле водорода. Накольцегранных моделях взаимодействиепоказано сближением колец, обозначающихэлектроны. Сближение ядер атомов за счётвзаимодействия их электронных орбиталейведёт к уменьшению внутренней энергиимолекулы. Следовательно, образование связиэнергетически выгодный процесс исопровождается выделением теплоты – это экзотермическийпроцесс.
Аналогично показанообразование полярной связи в результатеперекрывания электронных орбиталей ислияния электронных оболочек атомовводорода и хлора. Более подробно процессобразования общей электронной оболочкипоказан с помощью кольцегранных моделей.Электронная оболочка атома хлорадостраивается до завершенного вида спомощью электрона атома водорода. Отличиеот иона хлора здесь в том, что протон – ядро атома водородаостаётся в центре кольца – электрона атомаводорода. Неполярный характер связи виденв том, как расположен протон – ядро атома водорода.Испытывая отталкивание от ядра атомахлора, он выталкивается из центра кольца:его электронная плотность смещается всторону хлора.
Двойные ковалентныесвязи также могут иметь полярный илинеполярный характер. Так, например, дваатома сильного окислителя – кислорода образуютсоединение с двойной связью. Электроннаяплотность равномерно распределена околодвух ядер атомов в случае их равнойэлектроотрицательности (молекулакислорода O2)или же может смещаться в сторону болеесильного окислителя, в случае связи атомовразной электроотрицательности.
Интересным являетсясоединение углекислого газа (CO2). Проведите опросучащихся: “К какому виду относитсяковалентная связь в этом соединении”?
Верным будет являтьсяразвернутый ответ:
- Соединение с ковалентной связьюхарактеризуется образованием общейэлектронной оболочки для несколькихвходящих в соединение атомов;
- Разность значенийэлектроотрицательности атомов углерода икислорода определяет полярный характерсвязи C=O;
- Из-за симметричного расположенияатомов кислорода относительно атомауглерода, полярность соединения небросается в глаза и проявляется только вперераспределении электронной плотностина атоме углерода.
Таким образом,приведённых выше примеров достаточно,чтобы показать основные приёмыиспользования комплекса с включениемкольцегранных моделей при изучениистроения вещества в курсе химии среднейшколы.
Имея в виду тот факт, чтов процессе изучения химии традиционныемодели достаточно хорошо усвоеныучителями, а методика использованиякомплекса с включением кольцегранныхмоделей является новой, предложенпримерный перечень лабораторных ипрактических работ по неорганической иорганической химии, проводимых сиспользованием кольцегранных моделей впроцессе изучения курса химии в среднейшколе (приложение 2).
3.3Экспериментальная проверкапедагогической эффективности
комплекса моделейатомов и молекул для изучения строениявещества
в курсе химии среднейшколы.
Конструированиекомплекса предусматривало проведениеэксперимента и апробирования отдельныхкомпонентов комплекса с целью не тольконаиболее рационального состава комплексаи его включения в систему школьногообразования, но и достижения болеевысокого качества знания учащихся.
Педагогическийэксперимент включал три этапа:диагностирующий, исследовательский иконстатирующий.
Диагностирующийэтап экспериментапреследовал цель выявить готовностьучителей к использованию новыхкольцегранных видов моделей ицелесообразность введения их в комплексмоделей атомов и молекул для изучениястроения вещества в курсе химии среднейшколы, сопровождающиеся изменением всодержании образования для улучшениякачества знания.
Были выявлены следующиепроблемы, возникающие у учителей впроцессе преподавания учебного материалапо теме «Строение вещества»:
- Учитель не может объяснитьпротиворечивость и несовместимостьразличных моделей электрона из-заотсутствия в содержании образованияинформации о способах совмещения вэлементарной частице противоречивыхсвойств, определяемых в научныхэкспериментах.
- Из-за сложности объясненияустойчивости электронных оболочек,определяющих вид Периодической системыхимических элементов Д. И. Менделеева,учитель вынужден ограничиваться ссылкойна факт экспериментальной и теоретическойподтверждённости устойчивостиопределённых электронных оболочек.
- Без ответа остаётся вопрос овзаиморасположении электронов навнутренних оболочках атомов третьего ибольших периодов.
- Учитель не может продемонстрироватьили объяснить на модели спин электрона врамках курса химии средней школы.
- Остаётся неочевидной причинаобразования иона: захвата нейтральныматомом электрона с превращениемпоследнего в ион. Дидактическиевозможности объяснения учителяограничиваются лишь схематическимотражением этого процесса и рассказом остремлении оболочек атомов к завершеннойформе.
- Сложности возникают при объясненииобразования химических соединений спомощью орбитальных моделей:неубедительно выглядит процессобразования химических связей инедостаточно наглядно отражен процессобразования валентных углов.
- Вводится много понятий, сложных длявосприятия учащихся в отрыве от изученияоснов квантовой физики и химии:возбуждённое состояние электрона,разнообразные гибридизации орбиталей,перераспределение и смещение электроннойплотности.
При обсуждении этихнедостатков с учителями химии быловыяснено, что проблема качественногоусвоения знания о строении веществаучащимися может решаться различнымиспособами:
- за счёт введенияуглублённо-профильного изучения учебногоматериала;
- модернизацией содержанияобразования и сокращения объёма материалав результате введения специальногодидактического инструментария в видекомплекса с включением новыхкольцегранных моделей.
Таким образом, выявленаготовность учителей к использованию новыхупрощенных (кольцегранных) видов наглядныхмоделей, обоснована целесообразностьвведения их в комплекс моделей атомов имолекул для изучения строения вещества вкурсе химии средней школы.
Исследовательскийэтап экспериментапреследовал цель оснастить учителя иучащихся дидактическим инструментариемдля организации различных видов и формдеятельности педагога и учащихся. Дляознакомления учащихся с информацией,которая связно и целостно отражаетстроение вещества, особенно важнопредоставить в первую очередь информациюучителю, отличающуюся взаимосвязаннымизложением различных уровней организациивещества, фрагментарно изложенных вразличных разделах учебников иметодической литературы.
В разделе 3.1 былипоказаны те изменения, которыецелесообразно ввести в курс химии приизучении раздела «Строение веществ» потемам «Периодический закон. Строениеатома. Химическая связь». Возможностикомплекса изложены в схеме 3.1.
Примерное тематическоепланирование материалов программы,организационные формы и методическиеприёмы изложены в разделе 3.2 в виде таблицы3.2, а также методической поддержкидеятельности учителя в виде таблиц серии«Строение вещества» (приложение 4) ипримерного перечня лабораторных ипрактических работ по неорганической иорганической химии, проводимых сиспользованием кольцегранных моделей приизучении курса химии в средней школе(приложение 2).
Таким образом, создан«инструментарий» для работы учителя вобластях «дефицита наглядности»,продемонстрированы методические приёмы ипроверена возможность использованиякомплекса моделей с включениемкольцегранных моделей для демонстрации ипроведения практических работ понеорганической и органическойхимии.
Констатирующийэтап эксперимента нацелен напроверку педагогической эффективностивлияния комплекса или его отдельныхкомпонентов на качество усвоенияучащимися материала.
В данном исследованииприменён экспертно-балльный методопределения качества средств ипедагогической эффективности средствобучения, разработанный Центром средствобучения Института общего среднегообразования РАО.
Оценка качестваобучения, в частности педагогическойэффективности, при использованииразличных компонентов комплекса моделей,включая кольцегранные, осуществляетсярезультатам оценки показателей.
Наибольшую значимостьпри сравнении педагогическойэффективности комплекса (интеграции егоотдельных компонентов) имеют, по мнениюпедагогов –экспертов, следующие четырепоказателя:
- Информативность (соответствиесодержанию изучаемого вопроса).
- Доступность (лёгкость восприятия испособы подачи информации);
- Затраты времени (на изложение иусвоение материала учащимися);
- Освоения комплекса(подготовленность учителя киспользованию);
Для сравнительнойоценки качества обучения (педагогическойэффективности) выбраны фрагментыинформации (информационные блоки),предназначенной для изучения и усвоенияучащимися:
- Модельное представление электрона иего свойств;
- Взаимодействие электронов воболочке атома;
- Образование электронныхоболочек;
- Проверка устойчивости электронныхоболочек;
- Распределение электронов в атоме пооболочкам;
- Окислительно-восстановительныесвойства элементов;
- Степень окисления ивалентность;
- Изучение разных видов ковалентныхсвязей;
- Направленность связей.
Оценка качестваобучения при использовании компонентовкомплекса проводилась способом сравненияэффективности их использования по каждомуиз показателей. Для оценки использоваласьчетырёхуровневая система оценки,показывающая степень приспособленностикомплекса и отдельных его компонентов кдидактическим потребностям педагога иучащихся (таблица 3.3).
Таблица 3.3
Оценка степениприспособленности комплекса
| Степеньприспособленности | Число баллов |
| Полная(хорошая) приспособленность | 4 |
| Значительная(преимущественная) | 3 |
| Малая(недостаточная) приспособленность | 2 |
| Незначительнаяприспособленность | 1 |
| Неприспособленность(несоответствие) | 0 |
Для определения оценки(в баллах) каждого показателя вычисляютсредний (общий) балл как сумму баллов,делённую на количество пунктовсравнительной оценки качества(информационных блоков в данномслучае).
Педагогико-эргономический уровеньоценки выявляет приспособленностьизделия, то есть его дидактических функцийк специфике деятельности учителя иучащихся, реализуемой с помощью разныхкомпонентов комплекса и предлагаемогокомплекса в целом.
Таблица 3.4
Оценка информативностикомпонентов комплекса.
| Информационные блоки (фрагментыинформации) | Электрон-ныесхемы | Скелет-ныемодели | Масштаб-ныемодели | Кольце-гранные модели | Орбиталь-ныемодели |
| 1.Модельноепредставление электрона и егосвойств | 1 | 0 | 1 | 4 | 1 |
| 2.Взаимодействиеэлектронов в оболочке атома; | 2 | 0 | 0 | 4 | 2 |
| 3. Образованиеэлектронных оболочек; | 1 | 0 | 1 | 4 | 1 |
| 4. Проверкаустойчивости электронных оболочек; | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 |
| 5. Распределениеэлектронов в атоме по оболочкам; | 4 | 0 | 1 | 4 | 1 |
| 6.Окислительно-восстанови- тельные свойстваэлементов; | 2 | 1 | 1 | 4 | 3 |
| 7. Степеньокисления и валентность; | 3 | 2 | 2 | 4 | 3 |
| 8. Изучение разныхвидов ковалентных связей; | 1 | 3 | 3 | 4 | 4 |
| 9. Направленностьсвязей в молекулах. | 0 | 3 | 3 | 4 | 3 |
| Средний балл | 1.7 | 0.8 | 1.2 | 4.0 | 2.0 |
Таблица 3.5
Оценка доступностивосприятия компонентов комплекса.
| Информационные блоки (фрагментыинформации) | Электрон-ныесхемы | Скелет-ныемодели | Масштаб-ныемодели | Кольце-гранные модели | Орбиталь-ныемодели |
| 1.Модельноепредставление электрона и егосвойств | 4 | 0 | 4 | 4 | 1 |
| 2.Взаимодействиеэлектронов в оболочке атома; | 4 | 0 | 0 | 3 | 2 |
| 3. Образованиеэлектронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 2 | 2 |
| 4. Проверкаустойчивости электронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 3 | 0 |
| 5. Распределениеэлектронов в атоме по оболочкам; | 4 | 0 | 0 | 2 | 2 |
| 6.Окислительно-восстанови- тельные свойстваэлементов; | 3 | 1 | 1 | 4 | 3 |
| 7. Степеньокисления и валентность; | 3 | 2 | 2 | 3 | 2 |
| 8. Изучение разныхвидов ковалентных связей; | 0 | 4 | 4 | 3 | 2 |
| 9. Направленностьсвязей в молекулах. | 0 | 4 | 4 | 2 | 3 |
| Средний балл | 2 | 1.2 | 1.7 | 2.9 | 1.9 |
Показатель затратвремени характеризует время, необходимоена передачу, приём, переработку и усвоениеинформации, а тажке время на подготовкукомпонента комплекса к использованию, имеяв виду то количество времени, котороеотведено в программе на изучение материалаи его повторение.
Таблица 3.6
Оценка компонентовкомплекса по показателю затратывремени.
| Информационные блоки (фрагментыинформации) | Электрон-ныесхемы | Скелет-ныемодели | Масштаб-ныемодели | Кольце-гранные модели | Орбиталь-ныемодели |
| 1.Модельноепредставление электрона и егосвойств | 4 | 0 | 4 | 2 | 1 |
| 2.Взаимодействиеэлектронов в оболочке атома; | 4 | 0 | 0 | 3 | 2 |
| 3. Образованиеэлектронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 3 | 2 |
| 4. Проверкаустойчивости электронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 |
| 5. Распределениеэлектронов в атоме по оболочкам; | 4 | 0 | 0 | 3 | 1 |
| 6.Окислительно-восстанови- тельные свойстваэлементов; | 2 | 0 | 1 | 3 | 1 |
| 7. Степеньокисления и валентность; | 2 | 1 | 2 | 4 | 2 |
| 8. Изучение разныхвидов ковалентных связей; | 0 | 2 | 3 | 3 | 3 |
| 9. Направленностьсвязей в молекулах. | 0 | 4 | 4 | 3 | 2 |
| Средний балл | 1.2 | 0.8 | 1.6 | 2.9 | 1.6 |
Показатель освоениякомплекса характеризует соотношениеподготовки учителя и требований,предъявляемых к нему определённым видомдеятельности и спецификой данного видасредства обучения.
Чтобы педагогическаяэффективность комплекса была проявлена,учителю необходимо предварительно«освоить» средство обучения:познакомиться с ним, овладеть способамиего применения, приобрести умения и навыкиего использования.
Педагогическаяэффективность средства обучения иликомплекса зависит от степени удобства ипростоты использования. Этот показательпозволяет судить о возможностииспользования комплекса в процессеизучения курса химии средней школы.
Таблица 3.7
Оценка компонентовкомплекса по показателю освоенности(подготовленности учителя к использованию)
| Информационные блоки (фрагментыинформации) | Электрон-ныесхемы | Скелет-ныемодели | Масштаб-ныемодели | Кольце-гранные модели | Орбиталь-ныемодели |
| 1.Модельноепредставление электрона и егосвойств | 4 | 0 | 2 | 1 | 3 |
| 2.Взаимодействиеэлектронов в оболочке атома; | 4 | 0 | 0 | 1 | 3 |
| 3. Образованиеэлектронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 4. Проверкаустойчивости электронных оболочек; | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 5. Распределениеэлектронов в атоме по оболочкам; | 4 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 6.Окислительно-восстанови- тельные свойстваэлементов; | 3 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 7. Степеньокисления и валентность; | 2 | 3 | 2 | 1 | 3 |
| 8. Изучение разныхвидов ковалентных связей; | 0 | 4 | 4 | 1 | 4 |
| 9. Направленностьсвязей в молекулах. | 0 | 4 | 4 | 1 | 3 |
| Средний балл | 1.9 | 1.2 | 1.4 | 1 | 2.6 |
Общая оценка влияниякомпонентов комплекса на качествообучения (педагогическую эффективность)может быть выведена с помощью общегооценочного профиля (таблица 3.8) поотдельным показателям и в целом длякаждого компонента комплекса.
Таблица 3.8
| Показателикачества | Средняяоценка в баллах | ||||
| Электрон-ныесхемы | Скелет-ныемодели | Масштаб-ныемодели | Кольце-гранные модели | Орбиталь-ныемодели | |
| Информативность | 1.7 | 0.8 | 1.2 | 4 | 2 |
| Доступность | 2 | 1.2 | 1.7 | 2.9 | 1.9 |
| Затратывремени | 1.2 | 0.8 | 1.6 | 2.9 | 1.6 |
| Освоенность | 1.9 | 1.2 | 1.4 | 1 | 2.6 |
| Средний общий балл | 1.7 | 1 | 1.5 | 2.7 | 2 |
Будем исходить изпредположения, что область отрицательных инейтральных значений показателейпедагогической эффективностисоответствует 0 – 1 –2баллам, а область положительных значений– 3 – 4 баллам. Тогдаочевидно, что средство, оценочный профилькоторого оказывается в зоне положительныхзначений, потенциально обуславливаетболее высокую степень влияния наэффективность его использования в учебномпроцессе.
Как видно из таблицыкольцегранные модели попадают в областьположительного влияния по различнымкритериям, кроме показателя освоенности,что закономерно, поскольку модели этитолько начинают использоваться впедагогической практике.
Электронные схемы,скелетные и масштабные модели не попадаютв область положительных значений попричине узкой направленности ихиспользования. С их помощью не удаётсяпроиллюстрировать весь материал,предназначенный для изучения, поэтомуоценки некоторых показателей(информационных блоков), по которымпроводился анализ, отсутствуют, то есть,оценены как «0». Узкая направленностьиспользования моделей этих сильнозанижает их средний балл, и тем самымуказывает на необходимость использованиякомплекса, с помощью которого достигаетсяинтегративность.
Компоненты,составляющие комплекс дополняют другдруга и не всегда используютсяодновременно при изучении определённыхаспектов знания (фрагментов информации).Наиболее эффективное восприятиеинформации достигается использованием вкаждом конкретном случае (при изученииразличных фрагментов информации) наиболееподходящих компонентов комплекса,характеризующихся наивысшимипоказателями педагогическойэффективности.
Исследованиепроводилось с целью создания ииспользования комплекса моделей.Педагогическая эффективность комплекса,характеризующая его интегративныесвойства, представлена в виде таблицы3.9.
Таблица 3.9
| Информационные блоки (фрагментыинформации) | Показатели | |||
| Информа-тивность | Доступностьвосприятия | Затратывремени | Освоен-ность | |
| 1.Модельноепредставление электрона и егосвойств | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 2.Взаимодействиеэлектронов в оболочке атома; | 4 | 3 | 4 | 4 |
| 3. Образованиеэлектронных оболочек; | 4 | 3 | 3 | 2 |
| 4. Проверкаустойчивости электронных оболочек; | 4 | 4 | 2 | 1 |
| 5. Распределениеэлектронов в атоме по оболочкам; | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 6.Окислительно-восстанови- тельные свойстваэлементов; | 4 | 4 | 3 | 3 |
| 7. Степеньокисления и валентность; | 4 | 4 | 4 | 3 |
| 8. Изучение разныхвидов ковалентных связей; | 4 | 4 | 3 | 4 |
| 9. Направленностьсвязей в молекулах. | 4 | 4 | 4 | 4 |
| Средний балл | 4 | 3.8 | 3.4 | 3.2 |
Экспериментальнаяпроверка показала, что ни одна из моделейне способна конкурировать с комплексом.Применение комплекса по всем показателямимеет положительные значения. Меньшиезначения показателя освоенности указываютна необходимость наличия, освоения и болееширокого использования демонстрационных ираздаточных моделей в курсе химии среднейшколы.
Также к констатирующемуэтапу эксперимента относится проверкакачества знаний учащихся прииспользовании комплекса, состав которогократко показан в схеме 3.2.
Пилотная проверкакачества знаний учащихся проходилавыборочно по нескольким темам раздела,изложенным в разделе 3.2.
Критериями оценкикачества знания являются:
- целостность и сформированностьзнания;
- прочность и долгосрочностьсохранения знания;
- возможность использованияполученного знания, то есть умениеприменять знание и оперироватьинформацией.
Группы вопросов,обнаруживающих качество знанияучащихся:
- общее строение атома;
- размеры и пропорции составляющихчастей атома;
- взаиморасположение частиц,составляющих атом;
- взаимодействие атомных частиц ватоме и атомов между собой;
2.1 перечислениепериодообразующих электронныхоболочек;
2.2 определениеустойчивости оболочек;
2.3 объяснение причинобразования разных типов ковалентныхсвязей;
3.1 возможностьнахождения межпредметных связей приизучении темы строение атома (свойствоспин электрона, вопросы строенияатома);
3.2 объяснение причинобразования определённых валентных угловв молекулах метана, аммиака, воды, сернойкислоты;
3.3 объяснение идемонстрация заторможенности вращениячастей молекул в соединениях с двойнойсвязью (на основе строения электроннойоболочки молекулы);
Опрос учащихся с цельювыяснения целостности и сформированностизнания проводился в школе №1679 в 9-х и 10-хклассах. При проведении опроса вниманиеуделялось пониманию закономерностейформирования электронных оболочек,усвоенных с помощью использованиякольцегранных моделей и обучающейкомпьютерной программы «Глобус атома», атакже возможность использованияполученного знания с прогностическимицелями. Пилотный опрос показал высокоекачество знаний учащихся и лёгкость егоиспользования при ответе на вопросыпроблемного характера.
Пилотный опрос бывшихучащихся школы № 1100, в которой строениевещества преподавалось в 9–11-х классах сиспользованием фрагментов комплекса,включающего кольцегранные модели,проводился с целью проверки долгосрочногосохранения знания. Бывшие школьники попрошествии 3 лет по окончании школыспособны ответить на ряд вопросов,касающихся электронного строения атома иформирования молекулярных электронныхоболочек химических соединений.Долгосрочное сохранение знанийобъясняется формированием долгосрочнойобразной памяти, сохраняющей простые,эстетически приятные и информационноёмкие образы. Упрощённое пониманиедвойственности свойств электрона иналичия у него свойства спин с помощьюкольцегранных моделей позволяет сохранятьзнание как органически вплетённое вмировые закономерности, окружающиечеловека в любой области егодеятельности.
Возможностииспользования кольцегранных моделейсущественно раздвигают границыиспользования комплекса моделей визучении химии и проведения модельныхэкспериментов.
Выводы к главе 3.
- Разрыв между принятым базовымуровнем обучения классовобщеобразовательной школы и существующейнеобходимостью изучения физики и химии всвете современных научных представлений остроении атома, идейная несовместимостьмоделей молекулярных орбиталей с болеепростыми традиционными моделями приводитк необходимости приведения содержания всоответствие с принципами не толькоисторичности, но и научности,фундаментальности, адаптивности итехнологичности. Взаимнаяпротиворечивость моделей в базовомобучении приводит к парадоксальностизнания. Носителем знаний разного уровнясложности об устройстве атома и егосвойствах может являться моделькольцегранных электронных оболочек. Еёметодическая простота и доступностьпозволяет использовать её вобщеобразовательной школе, в том числе и вклассах гуманитарного профиля, а еёвариативность и возможность использованияусложнённых моделей (узнаваемокольцегранных: волногранных, или иззамкнутых спиралей) позволяет еёиспользовать и в классах углубленногоизучения.
- Кольцегранные модели могутиспользоваться на протяжении преподаваниявсего курса химии, с самого начала изученияПериодического закона. Использованиенаглядных моделей предусмотрено дляширокого круга тем: “Периодический закон ипериодическая система химическихэлементов Д. И. Менделеева. Строение атома.Строение веществ”.
- Проблема неполноценностисодержания обучения, порожденнаясложностью и избыточной противоречивостьютрадиционно используемых моделей, можетбыть решена фрагментарным изменениемсодержания, связанным с введением вобучение новых моделей.
- Предложены различные методическиеприемы использования новых моделей восновных темах курса химии 8-11 классов:предусмотрено использование новых моделейдля демонстраций; использованиеознакомительных видеоматериалов ипроведение компьютерных уроков;предложено проведение фронтальных работ, атакже лабораторных и практических работ ввиде модельных экспериментов проводимыхучащимися самостоятельно или в составеколлектива.
- Кольцегранные модели, объединяя всебе достоинства и электронных схем иорбитальных моделей, предоставляют новыедидактические возможности в видепроведения модельных экспериментов, дляпроведения которых разработаны образцытехнологических карт для учащихся, а такжетаблицы по теме «Строение вещества» иметодические рекомендации для учителей.
- Рассмотрено примерное тематическоепланирование материалов программы,организационные формы и методическиеприёмы изложены в виде таблицы.
- Подготовленное таким образомиспользование новых - кольцегранныхмоделей позволяет перевести обучение нановый уровень восприятия информации:образно-наглядно-действенный.
Заключение
Выполненноеисследование имеет теоретико-практическийхарактер и направлено на решение проблемысоздания научно обоснованной системыучебных моделей и способов её эффективногоиспользования в школе.
- Проведен анализ содержания курсахимии 8-11 классов и определены тенденциисоздания и использования учебных моделейатомов и молекул для курса химии среднейшколы. Показана роль моделей какинструмента деятельности учителя иученика при изучении раздела «Строениевещества». На основе анализа фондадемонстрационных средств обучения иучебного оборудования для самостоятельныхработ выявлена необходимость созданиямоделей нового поколения, позволяющихизбежать фрагментарности и отрывочностиусвоения информации, обеспечив связность исистемность знания, моделей, создающихясный образ распределения электронов вкаждом атоме или молекуле по электроннымоболочкам.
- Сформулированы теоретическиеположения создания и применения системыучебных моделей для обучения химии,представленные в виде педагогико–эргономическихтребований к моделям. Разработан комплексучебных моделей, включающий новыекольцегранные модели, дополняющиетрадиционно используемые в курсе химиисредней школы. Определен компонентныйсостав моделей для изучения курса химии поразделу «Строение вещества. Химическаясвязь». С целью адаптации научных знанийпредложены разные виды кольцегранныхмоделей, используемые как инструментдеятельности учащихся, без которогозатруднено восприятие учебного материалаи усвоение его научного содержания.
- Разработана методика использованиякомплекса наглядных моделей (с включениемкольцегранных) в школьном курсе химиисредней школы, предусмотрена возможностьпроведения с их помощью модельныхэкспериментов в форме демонстраций,лабораторных и практических работ. Дляудобства и простоты использованиякомплекса моделей с встроеннымикомпонентами новых средств и технологий,предусмотрено первичное ознакомлениеучащихся с помощью видео-демонстрации ипроведения компьютерных уроков.Разработаны дидактические видеоматериалыи компьютерные программы для обучения сиспользованием новых кольцегранныхмоделей не только для демонстраций, но идля проведения процессов моделированияучащимися в разных организационных формахзанятий (индивидуальных и групповых), чтопозволяет перевести обучение на новыйуровень восприятия информации -образно-наглядно-действенный. Проведённаяэкспериментальная проверкапедагогической эффективностииспользования комплекса моделей атомов имолекул в школьной практике подтвердилагипотезу данного исследования.
