РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ СОДЕРЖАНИЯ ИМЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ
(ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ)
На правах рукописи
КОЖЕВНИКОВ ДмитрийНиколаевич
Создание и использованиекомплекса моделей атомов и молекул
для изучения строениявещества в курсе химии средней школы
13.00.02 – теория и методикаобучения и воспитания
(химии вобщеобразовательной школе)
(по педагогическимнаукам)
Диссертация
на соискание ученойстепени кандидата педагогических наук
Научныйруководитель:
член-корреспондентРАО,
доктор педагогическихнаук,
профессор Назарова Т.С.
Москва - 2004
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение Глава 1.Анализ содержания курса химии 8–11 класса по вопросамстроения вещества и его обеспечениясредствами наглядногомоделирования. | 4 –13 14– 54 | |
| Задачи и особенности изучениястроения вещества в школьном курсехимии. | 14–26 | |
| 1.2. | Моделирование как метод научногоисследования и его роль при формированиицелостного знания о строениивещества. | 27 – 44 |
| 1.3. | Традиционные модели атомов имолекул, используемые в преподаванииестественнонаучных дисциплин. | 45 – 54 |
| Выводы к главе 1. | 55 –56 | |
| Глава 2.Педагогико-эргономические требования ксозданию и использованию моделей дляизучения строения вещества. | 57 – 109 | |
| 2.1. | Принцип научности и адаптация новыхнаучных данных для обучения. Современныетенденции развития моделирования. | 57 – 74 |
| 2.2. | Педагогико-эргономическиетребования к моделям атомов и молекул и ихновые дидактические возможности. | 75 – 103 |
| 2.3. | Характеристика комплекта моделейдля изучения строения веществ. | 104 – 109 |
| Выводы к главе 2. | 110 –111 | |
| Глава 3. Организацияиспользования комплекса моделей приизучении строения вещества в курсе химиисредней школы. | 112 – 167 | |
| 3.1. | Методические возможностииспользования комплекса с включениемкольцегранных моделей при изучениистроения веществ в курсе химии среднейшколы. | 112 – 121 |
| 3.2. | Методические приёмы использованиякомплекса моделей с включениемкольцегранных моделей для демонстрации ипроведения практических работ понеорганической и органическойхимии. | 122 – 155 |
| 3.3 | Экспериментальная проверкапедагогической эффективности комплексамоделей атомов и молекул для изучениястроения вещества в курсе химии среднейшколы. | 156 – 167 |
| Выводы к главе 3. | 168 –169 | |
| Заключение. | 170 –171 | |
| Приложение 1 | 172 –184 | |
| Приложение 2 | 185 –202 | |
| Приложение 3 | 203 | |
| Приложение 4 | 204 –208 | |
| Иллюстрации к текстудиссертации | 209 –215 | |
| Список литературы | 216 –228 |
Введение
Актуальностьисследования
В современнойобщеобразовательной школе осознанноепонимание химических процессов требуетглубокого изучения строения атомов,молекул, кристаллических структур тел иприроды химической связи. Курс химиисредней школы строится на основеатомно-молекулярной теории, законаАвогадро, законов постоянства состава исохранения массы вещества, периодическойсистемы химических элементов Д. И.Менделеева, теории строения веществ.
Формирование понятий остроении вещества относится к одной изнаиболее важных задач в методике обученияхимии.
Моделирование - этометод познания изучаемых качеств объектачерез модели: действия с моделями,позволяющие исследовать отдельные,интересующие нас качества, стороны илисвойства объекта или прототипа.
Учебные моделисоставляют существенный компонентучебно-методического комплекта,центральное место в котором принадлежитучебникам и учебно-методическойлитературе.
Модели определяются какучебные изобразительные средства,замещающие натуральные объекты ипередающие их структуру, существенныесвойства, связи и отношения.
Особенное значениеимеет применение моделей при изучениипроцессов, которые невозможно наблюдатьиз-за большой разницы временных илипространственных масштабов. Модельоказывается единственным объектом,который является носителем информации опроцессе или явлении. В такой ситуациибольшое значение отводится модельномуэксперименту. Модельный эксперимент -это особая форма эксперимента, для которойхарактерно использование действующихматериальных моделей в качествеспециальных средств экспериментальногоисследования. К модельному эксперименту, вкотором вместо самого объекта изучаетсязамещающая его модель, прибегают в случаях,когда объект исследования недоступеннаглядному созерцанию, как объектмикромира. Поэтому проблема моделированияособенно актуальна в естественных науках.В физике и химии - это проблемамоделирования микрообъектов, то естьатомов и молекул.
Наибольший объеминформации человек получает с помощьюзрения, поэтому в первую очередь должныбыть представлены «очевидные» модели.Предпочтительнее, чтобы они были ещёи осязаемые, то есть материальные. Опытмноголетнего применения моделей впроцессе обучения химии показал их большуюроль в процессе обучения, эффективностьвоздействия с их помощью учителя наученика. Необходимость использованиянаглядных моделей, продолжающееся ихсовершенствование и появление новыхмоделей обусловлены развитием химии какнауки и продолжающимся развитием методикитехнологий обучения.
Существенным фактором,препятствующим созданию моделей,удовлетворяющихпедагогико-эргономическим требованиям,является несовместимость современныхнаучных представлений с большинствомпростых и наглядных образов, используемыхв моделировании. Попытка адаптации научныхданных к процессу обучения в школеприводит к созданию упрощённых моделей исвязана с определенными погрешностями вотображении свойств. Фактически созданиеучебных моделей сводится к задачеоптимального выбора между моделямиразличной степени сложности и различнойизобразительной мощности. С дидактическойточки зрения, это неизбежно приводит кнеобходимости формирования комплексавзаимосвязанных моделей, описательныехарактеристики которого должныудовлетворять всем запросам наглядногомоделирования.
Первая попыткасистематизации учебного оборудования и ееобоснование с точки зрения спецификихимической науки и дидактическогопринципа наглядности обучения былаосуществлена А. А. Грабецким и К. Я.Парменовым в книге «Учебное оборудованиепо химии». Авторы делают вывод о том, чтонаглядные пособия должны применяться впроцессе обучения продуманно, вопределенной системе, что они ценны какважное дидактическое средство, помогающеедостижению учебно-воспитательных задач.
Однако традиционноиспользуемые модели не являютсядостаточными для формирования комплексамоделей для обучения. Выборочностьмоделируемых с их помощью свойств,взаимная несовместимость моделей иотсутствие между нимиструктурно-логических связей создаетпрепятствия обучению и усложняет процессусвоения информации. Следует дополнитьсписок рекомендуемых моделей такимисовременными моделями, которые позволилибы связать воедино исторические моделиатома, отражающие собой развитие знаний обатоме (Демокрита, Томсона, Резерфорда),модели, ставшие уже традиционными приизучении химии (шаростержневые, Стюарта– Бриглеба, илиПолинга), модели, используемые ввычислительных научных методах (метод М.О.).Необходимо создание иерархичной системымоделей, в рамках которой могли бы бытьпостроены различные модели и объясненыособенности строения атома, иллюстрируя взависимости от необходимости определенныемоделируемые стороны.
Из-за сложностиизложения основ квантовой химии вучебниках для восьмых и девятых классов недаётся необходимого разъяснения причинразмещения электронов вокруг ядер, нерассматривается возможность определениячисла электронов на энергетическом слое.Это затрудняет формирование представленийоб электронном строении атомов, молекул,кристаллических тел. А это относится косновным задачам изучения курса химии,начиная с восьмого классаобщеобразовательной школы.
Проблемы моделей имоделирования остаются актуальными приизучении периодического закона ипериодической системы химическихэлементов Д.И. Менделеева: необходимопроводить демонстрацию моделей устойчивыхэлектронных оболочек, которые определяютвид таблицы химических элементов. Приизучении химических связей такженеобходимы простые образы взаимодействияатомов с образованием общей молекулярнойоболочки. Такое явление должносопровождаться наглядным образом, а нетолько символьным обозначением.
Необходимость внаглядных моделях столь велика, что в опытешкол изготавливают множество наглядныхмоделей для отображения электронныхформул. Для демонстрации смещенияэлектронов от одного атома к другомуиспользуются различные подходы: магнитнаядоска с изображением точки (электрона);коробочки с разноцветными фишками,обозначающими электроны, и кругами,обозначающими атомы различных веществ иионов; набор из цветных пластмассовыхфигур, изображающих различные видыэлектронных облаков, полусфер,обозначающих атомы или ионы на магнитнойоснове. Вышеперечисленные и подобные имнаглядные пособия эквивалентны рисованиюэлектронных схем на доске. Отличие в том,что модели, оставаясь знаковыми,приобретают некоторые чертыматериальности – становятся осязаемыми идинамичными, но от этого их информационнаяёмкость не повышается.
Актуальной проблемойявляется создание новых учебных моделей,аналогичных научным и обладающихдидактическими свойствами. Этой проблемеметодисты уделяют большое внимание на всёмпротяжении совершенствования научныхмоделей. А. И. Шпак предлагал в восьмомклассе в виде первой модели использоватьэлектрон, рассматривая его расположение впространстве, форму электронного облака[135]. С. Н. Дроздов рекомендовал для этой целииспользовать модели, изготовленные измягкой медной или алюминиевой проволоки[40].
В.С. Полосин дляизложения вопроса о направленностиэлектронных облаков в пространствеиспользовал модели из мячей и надувныхшаров, а также разборные модели s- и p-орбиталей, выполненные из проволоки,окрашенной в различные цвета. Порезультатам работы со школьниками имсделан вывод, что при изучении явлениймикромира нельзя ограничиваться толькоодним видом наглядных пособий, необходимоприменять комплекс различных моделей идругих средств наглядности [88].
Ю. И. Булавин предлагалиспользовать механические и электрическиеустройства для приведения во вращениедеталей, воспроизводящих различныеформы электронных облаков [12].
С. С. Бердоносов,констатируя, что подход к объяснениюстроения даже простейших молекул (CH4, NH3, H2O и др.), которыйтрадиционно используют в средней школе,мало нагляден и весьма сложен, основан нацелом ряде искусственных допущений,аргументированно предлагает использоватьмодели Р. Гиллеспи, которые весьма просты ипозволяют объяснять строение не толькомолекул с простыми связями, но и веществзначительно более сложного состава,образующих двойные и тройные связи [8, с.16].
Обучающие модели, как иисследовательские, должны бытьинформативными, то есть их использованиедолжно создавать образ, насыщенныйинформацией, необходимой и достаточной дляформирования понятия о моделируемомобъекте. В то же время информативная(научная) насыщенность обучающихмоделей не должна конфликтовать с ихприспособленностью к специфике учебногопроцесса. В отличие от исследовательскихобучающие модели одного объекта илиявления не должны входить в противоречие смировыми закономерностями и должны бытьсовместимыми между собой. Подсовместимостью понимается такоевзаимоотношение моделей, при которомимеется возможность замены одной моделидругою без ущерба для общей научнойкартины изучаемого явления. Использованиесовместимой модели вместо рекомендованнойдолжно приводить не к противоречиям, а либок усложнению способа объяснения, либо, вкрайнем случае, к потере моделируемойстороны объекта.
В целом появлениеразличных моделей объясняется разнымуровнем сложности моделируемых явлений иразличными областями их применения.Поэтому границы применения различныхмоделей обязательно должны пересекаться.Обязательно должна быть областьпересечения, в которой возможно применениекак минимум двух моделей. В идеальномслучае любая сложная модель должна бытьсовместимой с любой более простой моделью,отличаясь лишь диапазоном использования.Иначе процесс обучения и усвоения знаний ореальном объекте или явлении рискуетперейти в область изучения особенностейсамих моделей и их взаимоотношений вразличных условиях. Совместимые модели,отличающиеся информационной ёмкостью,могут быть объединены в систему обучающихмоделей, или образовать комплекс обучающихмоделей, использование которого позволитизбежать фрагментарности и отрывочностиусвоения информации, обеспечив связность исистемность знания.
Проблемаисследования заключается впротиворечии между необходимостьюинформирования учащихся в соответствии суровнем современного развития науки ималой информационной ёмкостьютрадиционных дидактических средств – моделей атомов имолекул; между потребностью внедренияотносительно новой формы обучения – модельногоэксперимента и недостаточнойнаглядностью, а часто и взаимнойнесовместимостью используемых моделей.
Объектом исследованияявляется процесс изучениястроения вещества с использованиеммоделей атомов и молекул в курсе химиисредней школы.
Предмет исследования:теория и практика создания ииспользования комплекса моделей атомов имолекул для изучения строения вещества вкурсе химии средней школы.
Цельисследования: определениепутей и способов создания и использованиякомплекса современных моделей атомов имолекул для изучения строения веществ, ихфизических и химических свойств.
Гипотезаисследования: если комплексучебных моделей атомов и молекул,созданный с учетом современных тенденциймоделирования на основе традиционных иновых моделей, будет отвечать требованиямвысокой информационной ёмкости, обладатьширокими дидактическим возможностями ииспользоваться для внедрения новой формыобучения –модельного эксперимента, то это будетспособствовать: формированию у учащихсяцелостного и осознанного знания о строениивещества; пониманию свойств веществ;углублению и долговременному сохранениюзнаний; укреплению междисциплинарныхсвязей и созданию единой научной картинымира.
Задачиисследования
- Провести анализ содержания курсахимии 8-11 классов по вопросам строениявещества и его обеспечения средстваминаглядного моделирования.
- Сформулировать педагогико–эргономическиетребования к моделям и сформировать единыйкомплекс взаимно непротиворечивых научнообоснованных учебных моделей (включающий всебя как традиционно используемые, так иновые кольцегранные модели),обеспечивающий достижение педагогическихцелей наиболее эффективнымиспособами.
- Разработать методические приёмыиспользования комплекса учебных моделей,включая кольцегранные, проверитьвозможность проведения с их помощьюмодельных экспериментов, оценитьпедагогическую эффективность егоиспользования в школьной практике.
Методологическойосновой исследованияявляются фундаментальные исследования вобласти дидактики, психологии, теориисоздания и использования различных видовсредств обучения и их комплексов (А.А.Грабецкий, Л.С. Зазнобина, А.А. Макареня, Е.Е.Минченков, Т.С. Назарова, С.Г. Шаповаленко),методики обучения химии (О.С. Зайцев, Н.Е.Кузнецова, Л.А. Цветков, Г.М. Чернобельская,И.Н. Чертков), психолого-педагогические иэргономические теории (В.В. Давыдов, В.П.Зинченко, В.М. Мунипов), результаты анализанаучно-технических достижений в областисоздания моделей элементарных частиц,атомов и их химических соединений.
Методыисследования
- Анализ педагогической,методической, химической,психолого-педагогической литературы повопросам теории познания и управленияпроцессом усвоения знаний, проектированияи создания средств обучения по проблемамстроения вещества, создания ииспользования моделей при изученииструктуры вещества.
- Наблюдение и обобщениепедагогического опыта школьных занятий,опыта передовых учителей и методистов,педагогических инноваций, а также опытавнешкольной кружковой работыучащихся.
- Экспериментальная проверкасравнительной педагогическойэффективности влияния отдельных моделей икомплекса в целом на качествообучения.
Этапы исследования
На первом этапе (1996-1998гг.) определены проблемы и трудности, скоторыми сталкиваются учителя и ученикипри изучении строения вещества в курсехимии средней школы, связанные со сложнымстроением атома и насущной необходимостьюзнания закономерностей его строения.Определён способ решения проблем усвоенияучебного материала и создания условийповышения качества знания путём с помощьюкомплекса моделей, отличающегосявзаимосвязанностью всех компонентов иновыми дидактическими возможностями.
На втором этапе (1999-2001гг.) рассмотрены тенденции современногомоделирования, педагогико–эргономическиетребования, предъявляемые к моделям,предложен комплекс учебных моделей,включающий новые кольцегранные модели, ирассмотрены дидактические возможностикомплекса.
На третьем этапе (2002-2003гг.) определены приёмы и способыиспользования комплекса моделей дляизучения строения вещества, составленыметодические рекомендации и проверенапедагогическая эффективность егоиспользования.
Научная новизна итеоретическая значимостьисследования
- Разработана концепция создания ииспользования комплекса учебных моделейатомов и молекул для изучения строениявещества, включающая основные испецифические педагогико–эргономическиетребования, предъявляемые к используемыммоделям с учётом современных тенденциймоделирования.
- Предложена серия новых учебныхмоделей, представляющих собой необходимыекомпоненты для создания комплекса средствнаглядного моделирования, отвечающихсовременным педагогико-эргономическимтребованиям.
- Разработаны методические приёмыиспользования комплекса моделей, включаякольцегранные, для обучения химии всредней школе, обеспечивающиеэффективность усвоения знаний учащимися.
Практическая значимостьрезультатов исследования
- Сформирован комплекс учебныхмоделей атомов и молекул, включающий новыекольцегранные модели.
- Разработаны и освоены производствомнаборы кольцегранных моделей и созданыкомпьютерные графические программы дляознакомления с кольцегранниками.
- Подготовлена к внедрению в школусерия таблиц по теме «Строение вещества»,разработанная на базе комплекса учебныхмоделей атомов и молекул с включениемкольцегранных.
- Составлены методическиерекомендации по использованию комплексаучебных моделей атомов и молекул вобучении.
- Проверена возможностьиспользования новых моделей в обучении ввиде компьютерно-графических программобеспечивающих и контролирующихэффективность усвоения знаний учащимисяпри изучении вопросов строениявещества.
Глава 1. Анализ содержания курсахимии 8–11класса по вопросам строения вещества и егообеспечения средствами
наглядногомоделирования
1.1. Задачи иособенности изучения строения вещества
в школьном курсехимии.
Исследуя проблемусоотношения основ науки и учебногопредмета, С. Г. Шаповаленко выдвинулконцептуальные идеи отбора содержания ипостроения учебного предмета [133].Структурирование курса опирается налогику науки. Как отмечал Л. А. Цветков,школьный учебный предмет – не микроcкопиявузовского курса, а дидактическипереработанная система знаний и умений,отобранных из области науки [124, с. 17].Поэтому для общеобразовательной школыиз всей совокупности химических знанийможно отобрать научные факты, теории,наиболее общие и фундаментальные, усвоениекоторых позволяет понять роль химии впознании мира, развитии материальногопроизводства и открывает путь к болееуглубленному изучению любой химическойдисциплины.
Основное содержаниеорганической и неорганической химиисоставляют две концептуальные системызнаний: 1) учение о веществах, их составе истроении, о зависимости свойств веществ отсостава и строения, позволяющее понятьокружающий вещественный мир ипроектировать на основе этих знанийпостроение новых нужных веществ иматериалов; 2) учение о химическихпроцессах, их закономерностях, позволяющеепонять химические явления в природе иосуществлять химические реакции в целяхпрактического получения мысленноконструируемых веществ и материалов. Этиучения должны, очевидно, составить костякконструируемого учебного предмета [124, с.19].
В современнойобщеобразовательной школе осознанноепонимание химических процессов невозможнобез глубокого изучения строения атомов,молекул, кристаллических структур тел иприроды химической связи. Курс химиисредней школы строится на основеатомно-молекулярной теории, законаАвогадро, законов постоянства состава исохранения массы вещества, периодическойсистемы химических элементов Д. И.Менделеева, теории строения веществ.
Формирование понятий остроении вещества относится к одной изнаиболее важных задач в методике обученияхимии. Понятие – средство мысленноговоспроизведения какого-либо предмета какцелостной системы [35]. Иметь понятие опредмете означает владеть общим способоммысленного построения этого предмета.Понятие –обобщенная форма отражения в мышлениипредметов и явлений действительности исвязей между ними посредством фиксацииобщих и специфических существенныхпризнаков и отношений. Процессформирования систем химических понятий вобучении диалектичен по своей природе,поскольку отражает генезис, динамику ипротиворечия в развитии этой формымышления [58].
Раскрывая особенностистроения, теория строения веществстановится научной основой, методомпознания природы веществ, их превращений.Пронизывая весь школьный курс химии, этатеория обеспечивает систематичность егоизложения, а усвоение знаний делает болееглубоким и осознанным. Знание строенияатомов и периодического закона даётвозможность сформировать систему понятийо химической связи, степени окисления иэлектроотрицательности элементов.
Осознанному усвоениюпонятий об электронном строении атомовспособствует также элементарноепредставление о спине. Использование егоодновременно с изображением распределенияэлектронов по электронным слоямспособствует формированию понятий остроении многоэлектронных атомов,периодах и группах элементов, химическойсвязи, степени окисления [79].
Из-за сложностиизложения основ квантовой химии вучебниках для восьмых и девятых классов недаётся необходимого разъяснения причини закономерностей размещения электроноввокруг ядер, не рассматриваетсявозможность самостоятельного определениячисла электронов на энергетическом слое[135]. Это затрудняет формированиеустойчивых представлений об электронномстроении атомов, молекул, кристаллическихтел. А это относится к основным задачамизучения курса химии, начиная с восьмогокласса общеобразовательной школы. Краткоони сводятся к следующему:
- изучить периодический закон,обеспечивающий понимание первоначальнойклассификации веществ и создающий базу длявосприятия строения вещества;
- развить представления учащихся,полученные на уроках по физике оструктурных элементах атомов, молекул,макроскопических тел;
- показать особую рольэлектромагнитных взаимодействий вусловиях микромира, обеспечивающуюпонимание химических связей ввеществах;
- дать современные представления остроении атомов, молекул и кристаллическихструктур твёрдых веществ;
- сформировать образныепредставления о строении атомов, молекул икристаллических структур твёрдыхвеществ;
- показать все существенные признакиразличных систем частиц, составляющихструктуру и пространственное расположениечастиц в веществе, а также силы ихвзаимодействия;
- обеспечить экспериментальноеобъяснение изучаемых в школефизико-химических свойств веществ наоснове их строения [135].
Характеризуя процессразвития химической науки, академик Н. Н.Семенов пришел к выводу, что «химическоепревращение, химическая реакция естьглавный предмет химии». Однако дляпервоначального изучения химии курс,построенный на логике изучения химическихпроцессов, мало пригоден. В какой бы связита или иная химическая реакция нерассматривалась, чтобы понять ее сущностьнадо иметь представление о строении исвойствах исходных веществ и веществ,образующихся в ходе реакции. В основеформируемых знаний должно лежатьпонимание, отражение естественныхвзаимосвязей, существующих в природе. Чтокасается мира веществ, их взаимосвязьраскрывается через систему химическихэлементов –периодическую систему. Изучениепериодического закона и периодическойсистемы предполагает знаниевалентности элементов и важнейших классовнеорганических соединений [124, с. 20].
Традиционно в методикеобучения химии особое внимание уделяетсявалентности. Как отмечается в [78, с.27],формирование понятия «валентность»осуществляют на примерах водородныхсоединений неметаллов. За основу беретсятот факт, что один атом водорода никогда неприсоединяет более одного атома. Свойствоатомов присоединять определённое числодругих атомов называют валентностью ивыражают её числом, сравнивая свалентностью водорода, взятой за единицу.Поэтому кислород в воде H2O двухвалентен, азот ваммиаке NH3 трехвалентен, углерод в метанеCH4 четырехвалентен. При записиструктурных формул черточками обозначаютвалентности атомов. Число черточекуказывает на валентность атома всоединении. Используют также графическиеформулы. Отличие структурных отграфических формул в том, что структурныеформулы используют для изображения связей,как например, в H–Cl или H–O–H. А вотграфическое изображение соединенияNa–Cl не являетсяструктурной формулой, так как между ионамисвязи нет [123].
Объяснение учащимсязакономерности заполнения электронамиэлектронных слоёв атомов элементовосновано на единстве противоположностей,выражающееся в равном количестве протонови электронов в нейтральном атоме. Такжерассматривается преемственность атомнойструктуры соседних по периоду элементов [78,с.112]. Учащиеся сопоставляют количественныеизменения в строении атомов элементов от Liдо F с качественными и делают вывод о том,что количественные изменения (числоэлектронов, образующих внешнийэлектронный слой) переходят в качественные(характер свойств простого вещества исоединений, образованных элементами).Заряды ядер атомов (количественныеизменения) возрастают монотонно, линейно.От Li до F металличность (качественнаяхарактеристика) постепенно сменяетсянеметалличностью, потом следуют резкиескачки: смена типичного неметалла – галогена фтора (F)инертным элементом неоном (Ne), сменаинертного элемента типичным щелочнымметаллом Na. Количественные измененияпереходят в качественные скачкообразно.Скачки объясняются в первом случае (F– Ne)завершением одного электронного слоя, вовтором случае (Ne – Na) –появлением нового электронного слоя.Ознакомление с электроннымиконфигурациями атомов элементов первыхтрёх периодов должно способствоватьуглублению знаний о строении электронныхоболочек атомов и пониманиюзакономерностей изменения свойствэлементов в группах и периодахпериодической системы [78, с.114].
Учение о химическойсвязи – этоодна из центральных проблем химии, решениекоторой прошло ряд этапов в своём развитииот представлений о наличии у атомов«петелек» и «крючочков», с помощью которыхони соединяются, до знаний обэлектростатической природе химическойсвязи. Учащимся рассказывают о том, что наоснове экспериментальных сведений ученыесоздают модели, отражающие строениевеществ, и высказывают предположения(гипотезы) о механизме образованияхимических связей. При изучении механизмаобразования химических связей используютсоставление моделей. Должна иметь местомодель, демонстрирующая взаимодействиеэлектронов между собой. Учащимсяобъясняют, что объединяться могут лишь дваэлектрона; при этом энергия такихспаренных электронов характеризуетсяменьшим значением, чем сумма их энергий дообъединения в одно облако. Спариваниеэлектронов –процесс энергетически выгодный, прикотором происходит выделение энергии. Этаэнергия характеризует прочностьхимической связи [78, с.123].
Учебный предмет неможет ограничиваться информационнойфункцией, в нем должна быть обеспеченадеятельность учащихся по выполнениюразного рода упражнений, применению знанийв различных ситуациях, иначе не будутдостигаться развивающие цели обучения.Важным условием успешного формированиязнаний являются самостоятельные работыучащихся. Это способствует развитиюпонятий и формированию методологическихзнаний. Так, например, применениеполученных знаний об электронном строенииатомов позволяет лучше усвоитьособенности заполнения электронамиэлектронных слоев и более глубокоразобраться в причине существованиябольших периодов.
При изучениипериодической системы могут бытьсамостоятельные работы различногохарактера. В процессе поиска ответов назадания учащиеся выявляют связи междуместом элемента в периодической системе иособенностями строения атомов, междудлиной периода и числом электронов,застраивающих электронные слоиатомов.
В дидактическом планесущность самостоятельной деятельностизаключается не в том, что ученик работаетбез посторонней помощи учителя, а в том, чтоцель деятельности ученика несёт в себеодновременно и функцию управления этойдеятельностью [85]. Интерес формируется вдеятельности, и только в деятельностиможно вырастить компетентного,квалифицированного специалиста [69].
Любые самостоятельныенаблюдения должны быть целенаправлены.Целенаправленное наблюдениевключает:
- Цель
- Оборудование
- Способ употребления
- Основные шаги, этапынаблюдения
- Выводы
- Оформление результатов
Для облегчениявосприятия информации ее разделяют начасти, или фрагменты. Поэтапное усвоениеинформации должно быть логическивзаимосвязано. Разделение явления накомпоненты, их поэтапное изучение, требуетсоздания последовательного рядавзаимосвязанных образов – моделей. Дальнейшаяобработка полученной информации с цельюформирования общего целостного знаниядолжны опираться на средства наглядности ина ранее полученные знания. В зависимостиот подготовки учащихся, перед ними будутпоставлены вопросы, требующие ответа наоснове активного применения знаний в тойили иной степени самостоятельныхобобщений [125].
Применениесамостоятельной работы учащихся сиспользованием таблиц со справочнымисведениями о величинах атомных радиусов иоб энергии ионизации при рассмотренииматериала о физической сущностипериодического закона и периодическойсистемы позволяет более глубоко познатьпричину совпадения периодическогоизменения электронного строения атомов ипериодического изменения свойствэлементов.
При формированиипонятия о скорости химических реакций ихимического равновесия положительныйэффект даёт демонстрация средствнаглядности в следующейпоследовательности: химическийэксперимент - модели - таблицы. В процессеусвоения наиболее трудных вопросов темыособое значение играют модели [89].
Процесс познаниясопровождается моделированием явлений,объектов, процессов. Роль моделированияособенно велика, если признать, чтоотражение внешнего мира сознанием иформирование представлений о нем само посебе уже есть модель. Поэтому сумму нашихсубъективных представлений о мире можноназвать мысленной моделью мира. Модельсоздает язык общения, который,опредмечивая содержание объектаисследования, позволяет выявить егосущность [36].
Значение моделей ичастоту использования моделей в процессеобучения можно оценить, проведя анализсодержания курса химии 8-11 классов.Результаты обзора, сделанного по программекурса химии для 8-11 классов среднейобщеобразовательной школы представлены втаблице 1.1.
Таблица 1.1
Обзорсодержания курса химии 8-11классов
| Класс | N, Тема,(общее кол-во часов) | К-воуро-ков | Изучаемые имоделируемые объекты, явления,процессы | Проблемымоделирования |
| 8 | 6.Периодический закон иПериодическая система химическихэлементов Д. И. Менделеева (15часов) | 10 | Распределение электронов ватомах элементов первых четырех периодов.Группы и подгруппы химическихэлементов. | Изображение электронов и ихрасположение в электронных оболочках.Влияние электронного строения атомов нахимические свойства веществ. |
| 8 | 7.Химическая связь. (9 - 10часов) | 6 | Электроотрицательности атомовхимических элементов. Полярная инеполярная связь. Ионная связь. Степеньокисления. Взаимодействие хлора, йода сметаллами. | Демонстрацияэлектроотрицательности атомов химическихэлементов. |
| 9 | Повторение8-го класса | 3 | Обобщениезнаний по курсу 8-го класса. | Демонстрация расположенияэлектронов в оболочках. |
| 9 | 1.Электролити-ческая диссо-циация (12ч.) | 10 | Электролитическая диссоциациявеществ с ионной и полярной ковалентнойсвязью. | Демонстрация и изображениепроцессов. |
| 9 | 2.Подгруппакислорода (7ч.) | 4 | Строениеатомов подгруппы кислорода. Понятиеаллотропии. Взаимодействие серы сводородом и кислородом. Сернаякислота. | Изображение строения электронныхоболочек. |
| 9 | 3.Производство серной кислоты(7ч.) | 1 | Строениемолекулы серной кислоты. | Электронное строение молекулы.Различие в связях S=O и S-OH. |
| 9 | 4. ПодгруппаАзота (14 -17 часов) | 4 | Положениехимических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.*Строение их атомов. Аммиак. Образованиеаммония. | Влияниесимметрии распределения электронов вмолекуле на ее химические свойства. |
| 9 | 5. Подгруппауглерода (7ч.) | 3 | Положениехимических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.*Строение их атомов. Аллотропия углерода.Оксиды углерода. | Симметрияраспределения электронов в атоме имолекулах. |
| 9 | 6.Общиесвойства металлов (3ч.) | 2 | Положениехимических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.*Строение их атомов. | Влияниеположения электронов в атоме нахимические свойства вещества. |
| 9 | 7.Металлыглавных подгрупп 1и 3 группы (4-6ч.) | 1-2 | Взаимодействие кальция с водой.Реакции на концентрации ионов кальция ибария. | Демонстрация электронного строенияионов. |
| 9 | 10.Обобщение знаний по курсу неорганическойхимии (4ч.) | 2 | Периодический закон. Строениевещества. | Демонстрация электронного строенияразличных атомов и веществ. |
| 10 | ПовторениеПериодического закона и П.С.Х.Э. Д.И.Менделеева в свете учения о строенииатома. | Атомарноестроение вещества. Электронное строениеатома. Строение электронныхоболочек. | Влияниераспределения электронов в атоме нахимические свойства вещества. | |
| 10 | Теорияхимического строения органическихсоединений. Электронная природахимических связей (15ч.). | 10 | Порядоксоединения и взаимного влияния атомов вмолекуле. Изомерия. Распределениеэлектронов в атомах элементов малыхпериодов. | Форма иструктура электронных оболочек. Причинаобразования различных видов связей.Образование валентных углов. |
| 10 | 2.Предельные углеводороды (7ч.) | 5 | Характерхимических связей и гомологический рядметана. Пространственное строениепредельных углеводородов. Изомеризация.Взаимные влияния атомов в молекулахгалогенопроиз-водных углеводородах. | Пространственное строениемолекулярных оболочек. Объяснение причинобразования определённых валентных угловв молекулах. Изготовление моделей молекул,отражающих электронное строение. |
| 10 | 3.Непредельные углеводороды (7-9 ч.) | 7 | Этилен.Двойная связь. Гомологический ряд этанола.Ацетилен. Тройная связь. Гомологическийряд ацетилена. | Моделирование процессов: горения(окисления), присоединения водорода игалогенов, полимеризации. |
| 10 | 4.Ароматические углеводороды (4-5ч.) | 3 | Электронное строение молекулыбензола. Химические реакции замещения иприсоединения. | Планарноестроение молекул (образование электронамипараллельных плоскостей). |
| 10 | 6. Спирты ифенолы (6-7ч.) | 3 | Строениепредельных одноатомных спиртов.Функциональная группа, ее электронноестроение. Строение фенолов. | Наглядныемодели, иллюстрирующие электронноестроение молекул спиртов, фенолов. |
| 10 | Повторение | Строение исвойства органических веществ, изученныхклассов. | Электронное строение молекулорганических веществ. | |
| 11 | 10. Амины(5ч.) | 1 | Молекулааммиака. | Электронное строениемолекулы. |
| 11 | 13.Обобщение знаний по курсу органическойхимии (2ч.) | Общиезакономерности образования связей, ихособенности и отличия. | Электронное строение молекулорганических веществ. | |
| 11 | ОсновыОбщей химии. 2. Периодический закон иП.С.Х.Э. Д. И. Менделеева на основе учения остроении атомов (4ч.) | 4 | Строениеэлектронных оболочек атомов элементовмалых периодов. Особенности строенияатомов химических элементов большихпериодов. Периодическоеизменение валентности и размеров атомов.Оксиды и водородные соединения. | Изображение электронных оболочекатомов элементов малых и больших периодов.Строение электронных оболочек сложныхатомов. Влияние электронного строенияатомов на химические свойствавеществ. |
| 11 | 3. Строениевещества (7ч.) | 4 | Химическиесвязи: ионные, ковалентные, металлические иводородные. Донорно-акцепторный механизмобразования ковалентной связи.Характеристики химических связей: длина,энергия. Пространственное строениемолекулярных веществ. | Демонстрация образованияэлектронных оболочек химическихсоединений с различными видами связей.Влияние электронного строения нахимические свойства веществ. |
| 11 | 5. Металлы(8ч.) | 2 | Положениеметаллов в П.С.Х.Э. Д.И. Менделеева.Особенности электронного строения ихатомов. | Особенности строения электронныхоболочек металлов. Особенностиметаллической связи. |
| 11 | 6. Неметаллы(8ч.) | 6 | Строениепростых веществ (неметаллов, водородныесоединения неметаллов, оксиды,кислоты) | Строениеэлектронных оболочек соединений сразличными видами химическихсвязей. |
* - П.С.Х.Э.- сокращенно«Периодической системе химическихэлементов»
Изучая сведённый втаблицу учебный материал, можно сделатьвывод, что модели используются практическинепрерывно на протяжении всего курсахимии. При изучении Периодического законаи Периодической системы химическихэлементов Д. И. Менделеева необходимадемонстрация моделей устойчивыхэлектронных оболочек, которые определяютвид таблицы химических элементов. Приизучении химических связей такженеобходимы простые образы взаимодействияатомов с образованием общей молекулярнойоболочки. Каждое явление – захват электронаионом или атомом, образование связейдолжно сопровождаться наглядным образом, ане только символьным обозначениемсмещения электронной плотности илирисованием стрелочек в квадратиках,обозначающих «распаривание электронныхпар».
1.2.Моделирование как метод научногоисследования и его роль при формированиицелостного знания о строениивещества.
Моделирование - этометод познания интересующих нас качествобъекта через модели. Это действия смоделями, позволяющие исследоватьотдельные, интересующие нас качества,стороны или свойства объекта или прототипа[34].
Под моделью понимаютотображение фактов, вещей и отношенийопределенной области знаний в виде болеепростой, более наглядной материальнойструктуры этой или другой области[44].
Штофф В. А. [138] определялмодель как мысленно представляемую илиматериально реализованную систему,которая, отображая или воспроизводя объектисследования, способна замещать его так,что ее изучение дает нам новую информациюоб объекте.
Моделью мы будемназывать любую систему, мысленнопредставляемую или реально существующую,которая находится в определенныхотношениях к другой системе (называемойобычно оригиналом, объектом или натурой)так, что при этом выполняются следующиеусловия:
1. Между моделью иоригиналом имеется отношение сходства,форма которого явно выражена и точнозафиксирована (условие отражения илиуточненной аналогии).
- Модель в процессахнаучного познания является заместителемизучаемого объекта (условиерепрезентации).
- Изучение моделипозволяет получать информацию (сведения)об оригинале (условиеэкстраполяции).
Возможностьобоснованных экстраполяций превращаетмоделирование в научный метод,сознательно (целенаправленно)применяемый в исследовании. Методмоделирования - это особая форма научногоисследования [137].
Модель - этосвоеобразный “сплав” наглядности ипонятия [33].
Модели определяются какучебно-наглядные изобразительные пособия,искусственно воспроизводящие натуральныеобъекты и передающие их структуру,существенные свойства, связи и отношения.При этом допускается условность в передачесвойств оригинала (объектов макро- имикромира): уменьшение или увеличениеразмера, схематизация в передаче строенияобъектов, условность окраски и т.д. [73].Общая классификация моделей приведена насхеме 1.1.
Схема 1. 1
Классификация моделей
По характерувзаимодействия сторон оригинала моделимогут быть разделены на структурные,показывающие внутреннюю организациюобъекта, и функциональные, демонстрирующиепринцип функционирования моделируемогообъекта. По способу применения моделиделят на демонстрационные ираздаточные.
По способу заменыоригинала модели подразделяют наматериальные и идеальные, которые в своюочередь, разделяются согласно доминантнымсвойствам на группы (виды), показанные насхеме 1.2.
Схема 1.2.
Видымоделей
По способу заменыоригинала модели делятся на материальные иидеальные. Материальные (предметные)модели делятся на объемные и плоские(схематические). Идеальные илитеоретические модели - этомысленные, знаковые или символическиемодели. Мысленные модели фиксируются спомощью языка, знаковых средств, чертежей,рисунков и других материальных средстввыражения. Но от этого мысленные модели нестановятся материальными, так как всеоперации над ними, все преобразования в нихи изменения осуществляются субъектом.Необходимость наглядных моделей стольвелика, что некоторые учителяизготавливают наглядные модели дляотображения электронных формул. Смещениеэлектронов от одного атома к другомуизображается перемещением по магнитнойдоске кружочка с изображением точки(электрона) от значка одного атома кдругому [107]. С этими же целямииспользовался фланелеграф [87].
Аналогичныесамодельные модели предлагались и безпривлечения магнитной доски в видекоробочки с разноцветными фишками,обозначающими электроны, кругами,окрашенными в различные цвета,обозначающими атомы различных веществ иионов, а также вспомогательные элементы– полоскибумаги с нанесенными на них знаками «+», «=»и стрелки [66].
Для динамическогомоделирования различных видов химическойсвязи и демонстрации электронногостроения атомов химических элементовмалых периодов предлагался набор изцветных пластмассовых фигур, изображающихразличные виды электронных облаков,полусфер, обозначающих атомы, или ионы, истерженьков на магнитной основе.Передвигая и закрепляя фигуры на магнитнойдоске, демонстрировалась динамикаобразования химических связей иэлектронное строение атомов [66].
Вышеперечисленные иподобные им наглядные пособияэквивалентны рисованию электронных схемна доске. Изменения заключаются в том, чтомодели, оставаясь знаковыми, приобретаютнекоторые черты материальности – становятсяосязаемыми и динамичными. При этомдидактические возможности моделейповышаются незначительно, так как неизменяется их информационнаяёмкость.
Дидактические свойстваразличных видов используемых в школемоделей сведены в таблицу 1.2.
Таблица 1. 2
Дидактические свойстваразличных видов моделей
| № | Модели | Дидактические свойства | Примечания |
| 1. | Материальные объемные | ||
| 1.1 | Скелетные | Демонстрация углов и направленийсвязей в молекулах и кристаллах; вращениявокруг линии связи | Актуальнаямодель |
| 1.2 | Шаро-стержневые | Взаиморасположение атомов вмолекулах и кристаллах, направление связейи масштабное выделение атомов различныхэлементов в соединениях | Активноиспользующаяся модель |
| 1.3 | Масштабные | Масштабноеизображение форм молекул и пропорцийковалентных и ионных радиусов,демонстрация различных конформациймолекул | Актуальнаямодель |
| 1.4 | Орбиталей изнадувных шаров | Моделируютвзаиморасположение и направленностьэлектронных орбиталей в атоме имолекулах | Материальные модели орбиталей(Полосин В. С.) |
| 1.5 | Электронныхпар Р. Гиллеспи | Изображениеэлектронных пар на каждой орбитали(электроны с противоположными знакамиспин) | Материалпроизвольный (Бердоносов С. С.) |
| 1.6 | Орбиталейвида s- и p- разборные | Демонстрация форм ипространственной направленностиорбиталей в «сигма» и «пи» связях | Разныеисполнения: проволока, орг-стекло,пенопласт |
| 1.7 | Форморбиталей механические | Демонстрация различных формэлектронных орбиталей с помощьюустройства для вращения деталей | Демонстрация одной орбитали(Булавин Ю. И.) |
| 1.8 | Электроновмагнитные (кольцевые магниты) | Моделируются взаимодействия ипримерные размеры электронов на первыхдвух s-орбиталях, а также их контакт ватомах и молекулах | Первая модельэлектрона в виде кольцевого магнита (А.И. Шпак) |
| 2. | Материальные плоские | ||
| 2.1 | Аппликации | Представляют схему распределенияэлектронов | Электроны в виде кружочков |
| 2.2 | Фишечные | Представляют схемураспределения и переходовэлектронов | Электроныобозначаются фишками |
| 2.3 | Магнитныекарточки | Изображаютраспределение и процессы переходовэлектронов | Карточки намагнитной основе |
| 3. | Идеальные мысленные | ||
| 3.1 | МодельТомсона | Изображениеэлектронов в атоме в виде «изюма вбулке» | Историческая модель |
| 3.2 | Резерфорда,Бора | Планетарнаямодель Резерфорда | Сопровождается постулатамиБора |
| 3.3 | Электронныхпар Гиллеспи | Изображениеэлектронов парами на каждой орбитали изэлектронов с противоположными знакамиспин | Простаямодель не отражает различийорбиталей |
| 3.4 | Молекулярных орбиталей | Изображениеорбиталей в виде шара, объемнойвосьмерки | Обилиеразных форм и их гибридов |
| 4. | Идеальные символические | ||
| 4.1. | Электронные схемы | Схематическое распределениеэлектронов в атомах | Структурные и графические |
| 4.2 | Электронныхпар | Изображениеэлектронов с противоположными знакамиспин парами стрелок в квадратиках | Обозначениеэлектронов в виде стрелок или точек |
