« РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИНСТИТУТ СОДЕРЖАНИЯ И МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ (ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ) На правах рукописи ...»
Модель вызываетассоциации с уже известным материалом, нообъясняет новый или более широкий кругявлений. Поскольку метод аналогий - одиниз основных, элементов познания, то могутбыть применены “модели - аналогии”,позволяющие провести аналогии с ранееполученными знаниями. Модели естественноявляются схематизацией реального процессаили объекта. Особенное значение имеетприменение моделей при изучении процессов,которые невозможно наблюдать из-за большойразницы временных или пространственныхмасштабов. Часто они необходимы и в техслучаях, когда изучается процесс одногопространственного и временного масштаба ссубъектом обучения (учеником). Например, вразделе механики изучение сложногодвижения (полет вращающегося мяча ввоздухе) требует для рассмотрениянескольких моделей: - модели вращающейсяполой сферы с массой, распределенной поповерхности, модели поступательнодвижущегося точечного объекта, и моделейгазодинамического вихря различных уровнейсложности в зависимости от необходимойстепени точности решения задачи. Все этитипы моделей являются абстрактнымиидеальными моделями, лишь приблизительноописывающими реальный процесс. Несмотря нато, что процесс доступен длянепосредственного наблюдения и может бытьповторен в реальном временном ипространственном масштабе, модели этогопроцесса оказываются сложными инуждаются в четких методическихрекомендациях, что обеспечивает ихвзаимосвязь и отсутствие между нимипротиворечий. Часто одного принципасуперпозиции, то есть простого наложенияодного на другое различных компонентовдвижения, характеризующихся различнымимоделями, оказывается недостаточно.Поэтому проблемы моделирования существуютдаже для тех явлений, которые можнопоказать живьем, или “в полныйрост”.
При моделированиипроцессов, которые невозможно наблюдатьиз-за большой разницы временных илипространственных масштабов, (очень быстрыхили медленных, а также очень больших илиочень малых размеров), проблема подборамодели еще более усложняется. 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 [137]. К модельномуэксперименту, в котором вместо самогообъекта изучается замещающая его модель,прибегают в случаях, когда объектисследования недоступен наглядномусозерцанию, как объект микромира. Поэтомупроблема моделирования особенно актуальнав естественных науках. В физике и химии -это проблема моделирования микрообъектов,то есть атомов и молекул. Современнаяэнтроскопия позволяет различать атомы, нодаже с использованием лучшего микроскопаатом или мелкая молекула видны как точки.Косвенные исследования дают многоинформации. Однако объединить всерезультаты в систему, используя какую-либоодну модель, не удается.
Используется многотипов моделей. Условно их можно разделитьна два класса: класс материальных (объёмныхгеометрических моделей) и класс мысленных(идеальных моделей), к которым можноотнести словесные и математическиеописания. Для описания реального процессатребуется минимум по одной модели изкаждого класса. В идеальном случае изпервого класса должно быть несколькомоделей различных типов, воздействующих наразличные органы чувств. Такоетребование наглядности восходит еще квременам Яна Амоса Коменского ипровозглашено им в «Великой дидактике»:«Пусть будет для учащихся золотымправилом: все, что только можнопредставлять для восприятия чувствами, аименно: видимое для восприятия зрением,слышимое - слухом, подлежащее вкусу– вкусом,доступное осязанию – осязанием. Если же какие-либопредметы сразу можно воспринятьнесколькими чувствами, пусть они сразунесколькими чувствами преподносятся».
Многолетний опыт испециальные психолого-педагогическиеисследования показали, что эффективностьобучения и воспитания зависит от степенипривлечения к восприятию всех органовчувств человека. Чем более разнообразночувственное восприятие материала, темболее прочно он усваивается. Этазакономерность уже давно нашла своёвыражение в дидактическом принципенаглядности, в обоснование которого внеслисущественный вклад Я. А. Коменский, И. Г.Песталоцци, К. Д. Ушинский, а в наше время Л.В. Занков [83, с. 56].
На основе синтезаощущений должно формироватьсяпредставление об изучаемом предмете илиявлении. К осуществлению такой идеальнойситуации никто пока и не стремится. Темболее, что в соответствии с современнойтеорией нейро-лингвистическогопрограммирования люди различаются поспособам получения, обработки и храненияинформации. Зрение, слух икинестетические чувства – это три основныхвходных канала, формирующихсоответственно три основные системывосприятия –визуальную (зрительную), аудиальную(слуховую) и кинестетическую (моторную),через которые можно получить сведения обокружающей действительности. Остальныесенсорные каналы – обоняние и вкус, по-видимому,представляют собой редко применяемыеспособы получения информации о мире. Присоздании внутреннего образа свертываниесодержания осуществляется благодаряинформации, поступающей по всем каналамвосприятия, что положительно влияет накачество усвоения материала. «Пропускнаяспособность» органов чувств различна. Так,например, зрительные рецепторывоспринимают поток информации плотностьюоколо 3 млн. бит/с., информация,воспринимаемая человеческим ухом,оценивается в 5 – 20 тыс. бит/с. То есть пропускнаяспособность визуального канала в сотнираз больше, чем у аудиального. Информациявоспринимается также осязанием (200 тыс.бит/с.), обонянием (10-100 бит/с.), вкусом (около10 бит/с.). Источников информации должно бытьнесколько, иными словами, эффективноепреподавание должно быть полимодальным, итогда каждый обучаемый сможетвоспользоваться учебной информацией[99].
Наибольший объеминформации человек получает с помощьюзрения, существенно меньше осязанием и ещёменьше с помощью слуха. Поэтому в первуюочередь должны быть представлены«очевидные» модели, предпочтительнее,чтобы они были также осязаемые, то естьматериальные. В этом случае наглядностьмоделей выше. Здесь под наглядностьюмодели понимается чувственнаявоспринимаемость того объекта, которыйвыступает в качестве модели [71]. К признакамнаглядности могут быть отнесены:доступность восприятия (для понимания);достоверность формируемых образов (черезмоделирование или аутентичность);визуализация основных понятий (каквозможность показа, демонстрации,презентации объекта или явления, егоотдельных сторон, признаков). Процессвизуализации информации позволяетсвертывать содержание, фиксированное вразных формах (визуальной, аудиальной,кинестетической), в ёмкий, наглядный образ,который может быть развернут в каждыймомент и использован в качестве основы дляадекватных действий, мыслительных илипрактических [99].
Наиболее эффективнойдля дидактических целей является опора наразличные анализаторы коры головногомозга, то есть комплексное использованиеразличных видов и форм наглядности. Наглядность вобучении есть отображение явленийреального мира в виде дидактическогообраза, формируемого (или моделируемого) спомощью средств обучения [73].
Моделей одного и того жеявления может быть несколько, и они могутбыть разного уровня сложности. Они могутмоделировать одно или несколько свойств,признаков. Обучающие модели должнысоответствовать особенностям содержания испецифике восприятия учащихся, то естьдолжны выполнять дидактические функции.Обучающие модели, как иисследовательские должны бытьинформативными, то есть их использование должносоздавать образ, насыщенный информацией,необходимой и достаточной дляформирования понятия о моделируемомобъекте. В то же время информативная(научная) насыщенность обучающихмоделей не должна конфликтовать с ихприспособленностью к специфике учебногопроцесса. Очевидно, что обучающие моделипринципиально отличаются отисcледовательских. Исследовательскиемодели могут и не быть совместимыми междусобой. Это объясняется тем, что открытиячасто совершаются эвристическим методом иим могут сопутствовать иррациональныемодели, не имеющие объяснения способа ихобразования. Они могут быть получены вмомент “просветления”, “божественногооткровения” или “интуитивно”. Авыявление внутренних взаимосвязей междуразличными моделями требует иногда долгойи сложной работы.
В отличие отисследовательских обучающие модели одногообъекта или явления не должны входить впротиворечие с мировыми закономерностямии должны быть совместимыми между собой. Подсовместимостью понимается такоевзаимоотношение моделей, при которомимеется возможность замены одной моделидругою без ущерба для общей научнойкартины изучаемого явления. Использованиесовместимой модели, вместорекомендованной приводит не кпротиворечиям, а либо к усложнению способаобъяснения, либо, в крайнем случае, к потеремоделируемой стороны объекта.Совместимые модели при ихвзаимозаменяемости являются скореекомплементарными, чем тождественными.
В целом появлениеразличных моделей объясняется разнымуровнем сложности моделируемых явлений иразличными областями их применения.Поэтому границы применения различныхмоделей обязательно должны пересекаться.То есть нельзя использовать одну модель, азатем сразу другую, несовместимую с первой.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.
Иллюстрацией данногоположения может служить пример того, чтопроизошло в физике, когда квантовая физика,придя на смену классической, сталаработать с моделями чисто математическими,мысленными, не подкрепленнымиматериальными, наглядными моделями.«Потеря наглядности и трудность сочетанияв новом синтезе противоположных сторонвновь открытых явлений доводят физиков ифилософов до отказа от признанияреальности самих явлений, а заодно иобъективного существования внешнего мира,помимо нашего сознания» – писал академик А. Ф.Иоффе. В итоге в квантовой физикеиспользуется величина, квадрат которойхарактеризует плотность вероятностинахождения всего электрона в точке. Этовысокая степень абстракции. Точкой можночто - либо обозначать, не рассматриваявнутреннюю структуру объекта. Говорить офизическом смысле и объяснениипроявляемых свойств с помощью такой моделине представляется возможным. Точка - это нефизическая модель, - это лишь способстатистического или математическогоописания некоторого неопределенногообъекта, каким и остается на сегодняшнийдень электрон в отсутствии физической игеометрической модели. Из-за этого вовторой половине 20 века появилось большоечисло авторов, специализирующихся в разныхобластях наук, которые утверждают, чтофизика как наука развивается в тупиковомнаправлении, переходя в областьабстрактного искусства, доступного невсем. На вопрос, что такое электрон, частодается ответ, что это не реальный объект, асистема дифференциальных уравнений.Достижения квантовой механики огромны.Матричное исчисление волновых уравненийпозволяет рассчитывать спектры и их тонкоерасщепление. Эти расчеты совпадают сэкспериментом. Для этих расчетовспециалистам не требуются ни физическая,ни геометрическая модели. Но это не значит,что модели не нужны. Квантовая химияпредставляет собой только правильнуюрасчетную схему, но не дает ответа натипичные вопросы, которыми задается химик.Химические системы настолько сложны, что вбудущем придется прибегать к упрощениям иприблизительным методам, лишьпредваряющим собственно химическуюпроблематику в форме моделей. Ни однасформировавшаяся наука – это относится и кхимии – необходится без использования моделей иидеализаций [101]. Мышление человека на любомэтапе его развития, не может неопираться на образы, на те или иныенаглядные моменты, которые служат мышлениюкак бы определенными ориентирами в егодвижении. Без этих наглядных моментов,полученных в опыте и с помощью моделей,наше подсознание, какой бы степениабстракции оно не достигло, не могло быдвигаться вперед [71].
Модели необходимы дляформирования целостного знания о строениивещества. Поэтому постоянно актуальнойпроблемой является создание учебныхмоделей, соответствующих современнымнаучным представлениям, и обладающихдидактическими свойствами. Этой проблемойметодисты занимаются постоянно напротяжении совершенствования научныхмоделей. Например, А. И. Шпак [135] предлагал ввосьмом классе в виде первой моделииспользовать электрон, рассматривая егорасположение в пространстве, формуэлектронного облака. Предлагалось 12моделей атомов в невозбужденном состоянии,из них – 10моделей атомов элементов 1 и 2 периодов идве модели элементов 3 периода (натрия ихлора). Они должны обеспечить весь курсшкольной химии особым видом эксперимента(воображаемого) и особым видом наглядности,взаимосвязывающих теоретические понятия оструктуре атомов с чувственнымнаблюдением веществ. Эти модели должныускорять восприятие материала о структуреатомов, позволяя видеть изменение нетолько электронной конфигурации атомов впериодах и группах, но и изменениерадиусов в них. Кроме того, предлагалсянабор кольцевых магнитов, обеспечивающихпоказ электромагнитных взаимодействийэлектронов первых шести элементов.Предлагались к использованию объёмныемодели молекул следующих веществ:водорода, фтора, кислорода, азота,фтористого водорода, хлористого водорода,воды, аммиака, метана и хлористого натрия (впарах). По мнению автора, этих моделейдостаточно, чтобы дать наглядныепредставления о ковалентных и ионныхсвязях в химических соединениях.Разработаны также были объёмные моделикристаллических решёток алмаза, йода,поваренной соли и металлического натрия.Они отражают примерные размеры частиц поотношению друг к другу, расстояния междуними, контакт в молекулах, форму молекул иатомов. Перечисленные выше модели призванысоздать неразрывную цепь моделей атомов,молекул, кристаллических решёток, начинаяс модели одного электрона [135]. Логическимзавершением такой работы было бы созданиемоделей этих же объектов из моделейэлектронов, поскольку именно электроныопределяют формы молекул и кристаллов. Нотакой модели пока не представлено из-засложности расположения электронногооблака в поле действия ядер атомов.Предложен был лишь набор из кольцевыхмагнитов, обеспечивающих показэлектромагнитных взаимодействийэлектронов в первых шести элементах,что позволяет осуществлять моделированиеатомов из электронов только до атомауглерода. В свободном атоме углеродарасположение электронов – колец возможно впараллельных плоскостях в виде стопкиколец, в центре которой находится ядро. Приэтом в каждой симметрично расположеннойотносительно ядра паре колец - электронов,вектора спин антипараллельны.
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 [88], что при изучении явлениймикромира нельзя ограничиваться толькоодним видом наглядных пособий, необходимоприменять комплекс различных моделей идругих средств наглядности.
Для лучшего усвоенияучащимися материала о строении атомов имолекул С. Н. Дроздов рекомендовалиспользовать модели, изготовленные измягкой медной или алюминиевой проволоки. Спомощью изготовленного самими учащимися«проволочного остова тетраэдрическоймодели в виде петель, похожих на английскиебулавки» [40], предлагалось показыватьстроение наружней оболочки атомовинертных газов, галогенов, кислорода,азота, углерода, кремния, а также состав истроение молекул галогеноводородов, воды,аммиака, метана, кремниеводорода, ионовгидроксония и аммония, а такжепространственную направленность сигмасвязей.
Ю. И. Булавин предлагал:«использовать механические иэлектрические устройства для приведенияво вращение деталей, воспроизводящихразличные формы электронных облаков»[12]. Из-за сложности такого оборудованияи ограниченных возможностей такие моделине стали широко использоваться – для рассмотрениямеханизма образования связей необходиморассматривать взаимодействия и измененияформ электронных облаков, приводящих копределенным формам молекул, а с помощьюмеханически вращающихся деталей этопредставляется затруднительным.
С. С. Бердоносов [8]констатировал, 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.Неудивительно поэтому, что добиться егопонимания всеми учащимися в класседовольно трудно.
Рассмотрим, например,как обычно на уроках химии объясняютстроение молекулы такого широкораспространенного вещества, как метанCH4.Экспериментально давно установлено, чтостроение этой молекулы тетраэдрическое. Изшести электронов атома углерода дванаходятся на первом энергетическом уровне;они прочно связаны с ядром атома и неучаствуют в образовании химических связейатома углерода с атомами водорода.Оставшиеся четыре электрона атомауглерода – этотак называемые валентные электроны. Онинаходятся на втором энергетическом уровнеи размещаются на s- и p-орбиталях. На s-орбитали находятся два электрона спротивоположно направленными спинами, а наp-орбиталях в соответствии с правилом Хунда– два электронадва электрона с одинаковыми спинами.Учащимся также сообщают, что формы s- иp-облаков различны. Теперь, когда все этоучащиеся запомнили, им нужно понять, почемуже в молекуле метана все связи C–H одинаковы инаправлены от центра атома углерода квершинам тетраэдра. Таким образом,«начинается целая цепочка допущений:сначала принимают, что два спаренныхэлектрона второго уровня, во-первых,распариваются; во-вторых, один изэлектронов переходит с s-подуровня на p–подуровень,который обладает большей энергией. Обаэтих процесса, как сообщают учащимся идут сзатратой энергии. Таким образом,валентными являются один s– электрон и три p-электрона. Формы s- и p – электронных облаков различны, аобъяснить реальное строение молекулыметана можно лишь из предположения, что всеони одинаковы. Выдвигается новое (по-моему,наиболее сложное для понимания учащимися)допущение: все четыре валентные электронавозбужденного атома углерода образуютновые, так называемые гибридные (смешанные)орбитали. Далее принимают, что четырегибридные sp3– орбиталинаправлены в пространстве к вершинамтетраэдра» [8, с. 16].
В своей работе С. С.Бердоносов пишет: «Полагаю, чтоприведенное выше объяснение слишкомусловно и весьма сложно. А нет ли болеепростого? Оказывается, есть. Американскиеисследователи Р. Нейхолл и Р. Гиллеспи в 1957году предложили модель, позволяющуюобъяснять строение молекул безиспользования понятия о гибридизации. Р.Гиллеспи написал несколько научных статей,посвященных этой модели и ее использованиюпри проведении занятий, особенно наначальных стадиях изучения химии. Нарусский язык переведена его книга«Геометрия молекул». Согласно моделиГиллеспи электроны расположены пооболочкам и орбиталям с учетом принципаПаули и правила Хунда, но при этомпринимают, что никаких s-, p- и другихподуровней нет. Согласно модели Гиллеспи,электроны, расположенные на одной орбиталии имеющие противоположные знаки спин,взаимного отталкивания не испытывают. Всесвязывающие электронные пары расположенына одинаковом расстоянии от ядра. Так какэлектроны испытывают взаимноеотталкивание, то электронные парырасполагаются на максимально возможномпри данном расстоянии от ядра удалениидруг от друга. Принцип минимальногоотталкивания электронных пар -важнейший в представлениях Гиллеспи, еголегко объяснить учащимся» [8, с. 17].
С помощью моделиГиллеспи можно объяснить строение нетолько молекул бинарных соединений спростыми связями, но и веществ значительноболее сложного состава, имеющих двойные итройные связи. Нужно отметить, что двойнуюсвязь в рамках представления Гиллеспирассматривают как образованную двумясвязывающими электронными парами (никакихпонятий о - и- связях приэтом не вводят).
Подход Гиллеспи можетбыть использован для объяснения ипредсказания строения значительно болеесложных молекул. Разумеется, у него есть иограничения и недостатки. Например, трудносформулировать общее правило, по которомуможно заранее предсказать числоэлектронных пар на оболочке атома. Однакона начальных этапах изучения химиицелесообразно использовать топриближение, которое достаточно просто инаглядно, и в то же время позволяет сдостаточной степенью достоверностипредсказывать строение молекул. И здесьпреимущества представлений Гиллеспиочевидны [8, с. 20–21].
Наиболее прочноусваивается информация, получаемая наосновании самостоятельного наблюдения илиисследования. Поэтому в педагогическомпроцессе предпочтение должно отдаватьсятаким моделям, которые позволяют вовлечьобучаемых в самостоятельнуюпознавательную деятельность.Самостоятельная работа - это формапроявления соответствующей деятельностипамяти, мышления, творческого воображенияпри выполнении учеником учебного задания,которое, в конечном счете, приводит еголибо к получению совершенно нового,ранее неизвестного ему знания, либо куглублению и расширению сферы действия ужеполученных знаний [85]. Моделирование тожеможет быть одним из видов самостоятельнойработы. Например, моделирование химическихсоединений с заранее заданными свойствамиили установление геометрических форммолекул по их структурным формулам соценкой их возможных химических свойств.Для таких работ требуютсяспециализированные наборы длямоделирования атомов и молекул,использующиеся в качестве раздаточных. Втаком виде моделирование является методомнаучного исследования.
1.3.Традиционные модели атомов и молекул,используемые в преподаванииестественнонаучных дисциплин.
Программа по химии длясредней школы предусматриваетиспользование в учебном процессемасштабных и шаро-стержневых моделеймолекул, динамических и статическихмоделей химических производств.Использованию моделей на уроках химиипосвящен ряд работ методистов – химиков [8, 9, 10, 12, 20, 23,36, 37, 39, 40, 43, 55, 57, 70, 71, 72, 73, 79, 85, 88, 107, 132, 133,138].
Структурные формулывеществ, с которыми учащиеся начинаютзнакомиться уже на первоначальном этапеизучения химии, отражают лишьпоследовательность соединения атомов вмолекуле. Понятие о пространственномрасположении атомов в молекуле может бытьсформировано на основе шаро-стержневыхмоделей, показывающих размеры углов инаправления связей. В школьном курсе химиив качестве материальных моделейиспользуются наборы атомов со стержнямидля составления моделей молекул. Такжеатомы изображаются в виде шариков состержнями в комплектах кристаллическихрешеток алмаза, графита, поваренной соли,оксида углерода, магния, меди, йода, льда.Они хорошо передают взаимное расположениеатомов и направление связей, но, ксожалению, создают совершеннонеправильное представление о заполнениипространства «внутри» молекул. Можетвозникнуть представление, чтоорганическая молекула или кристаллическаярешетка напоминает ажурный каркас, чтомежду атомами существует большоенезаполненное пространство. Вдействительности это не так. В ионныхкристаллах ионы расположены по принципуплотнейшей упаковки, а в соединениях сковалентной связью электронные орбиталиперекрываются друг с другом [55, с. 55].Объемные (масштабные) модели дополняютпредставление учащихся о размерах иразличной форме атомов, сплющенных врезультате взаимодействия электронныхоболочек, а также знакомят школьников сформой молекулы в целом [28]. В качествераздаточных используются наборы длясоставления объемных моделей молекул (поСтюарту) [84]. Для изготовления моделеймолекул по Стюарту-Бриглебу рекомендуетсядаже использовать пластилин и спички [77],чтобы изготавливать шарики диаметром,отвечающим радиусу атомов поВан-дер-Ваальсу. Но эти модели не объясняютпричин и способов образования тех или иныхвидов связей, а моделируют формы молекул,не демонстрируя самих процессовформообразования. Такие возможности незаложены в данных моделях, так как в них неизображаются отдельные электроны,составляющие электронную оболочку. В этомсмысле такие модели мало информативны.
Учащимся объясняют, чтов атоме электроны окружают ядро и ихрасположение не хаотичное, а регулярное.Оно характеризуется определеннымиэнергиями связи электронов в атоме. Но каквзаимно расположены электроны в атомевокруг ядра? Схема распределенияэлектронов существует в виде таблицыхимических элементов, а моделей, создающихясный образ каждого атома нет.
Электроны имеютмагнитные свойства и взаимодействуютмежду собой в атоме. Это схематическипоказывается разнонаправленнымистрелочками в квадратиках и объясняетсяспаренностью электронов в оболочках. Но ватоме взаимодействие электронов неограничивается только взаимодействием парэлектронов. Электроны объединяются воболочки, некоторые из которых являютсяособенно устойчивыми. В таком случае,должно иметь место взаимодействиеэлектронов в оболочках, характеризующее ихстепень устойчивости. Как объяснять идемонстрировать взаимодействиеэлектронов в оболочках, не имея простой инаглядной модели электрона в электроннойоболочке?
При изученииокислительно-восстановительных реакцийиспользуются модели - аппликации намагнитной основе, фишечные модели, гдеэлектроны изображаются кружочками илифишками. Это чисто символическоеизображение, иллюстрирующееарифметический подсчет валентныхэлектронов, определяющих виды связи. Этимодели просты как «счетные палочки», ноэтим их достоинства ограничиваются. Онипредставляют собой лишь схему, далекую отсоздания образа моделируемого объекта. Вотсутствие образа нет наглядности.Наглядность выступает как возможность испособность оперировать чувственнымиобразами, представлениями. Образная модельявляется посредником между чувственновоспринимаемыми объектамидействительности и смыслом, значением,понятой их сущностью [71].
Для объясненияобразования химических связейиспользуется теория молекулярныхорбиталей, которая изображает электроны ввиде облаков, или орбиталей. Дляизображения форм электронных орбиталейиспользуются простые образы: шара,объемной восьмерки. Но для образованияхимических связей эти формы должныизменяться: должна произойти гибридизацияи видоизменение этих форм, что позволяетобъяснить образование нескольких,эквивалентных по характеру связей [126]. Приэтом изучаются только простейшие s- и p-формы орбиталей, а в атоме их можетсуществовать больше. Эта информация сложнадля восприятия учащимися и фрагментарна.Поэтому она лучше подходит дляуглубленного изучения химии, а не длябазового. Фрагментарность заключается втом, что формы орбиталей вводятся безобоснований, а сложные формы вообще неизучаются. Формы орбиталей и способы ихвзаимодействий являются синтетическими ивводятся декларативно, так как в программуобучения не входят сложные квантово – механическиеобъяснения возникновения таких форм. Этиформы являются результатом адаптациинаучных знаний – квантовой физики и химии. Такиеформы орбиталей подобраны, исходя изпредполагаемого равенства количествасобственных решений уравнения Шредингерав виде осесимметричных функций, числу осейсимметрии электронной оболочки, вдолькоторых ожидается распределениеэлектронной плотности. Без изучения основквантовой физики и химии даже простыеформы орбиталей являются сложными длявосприятия. Почему такие простые формы какшар или объемная восьмерка могут оказатьсясложными для восприятия? Потому чтоучащиеся изучают закон Кулона и знают, чтовзаиморасположение зарядов «+» и «» характеризуетсяжесткой силовой зависимостью отрасстояния между ними. А форма орбиталитакова, что отрицательно заряженныйэлектрон может быть локализован наразличном расстоянии от положительнозаряженного ядра, не изменяя своегоэнергетического состояния, не излучая. Какизбежать явного противоречия склассической электродинамикой безуглубленного изучения квантовоймеханики?
С точки зрениядидактики теория молекулярныхорбиталей (далее МО) имеет ряд недостатков,которые создают скорее помехи обучению,нежели поддержку и объяснение. Например, П.В. Бородин отмечает: «методические основыизучения электронного и пространственногостроения метана, этилена и ацетиленаразрабатываются с момента введения этихвопросов в программу средней школы. Однакозначительная часть выпускников школ имеетв этой области поверхностные, формальныезнания, что заставляет учителей химии,ученых –методистов, преподавателей вузовразрабатывать новые подходы к изучениюэтого материала» [11, с. 40]. Модели орбиталейявляются идеальными - трудно изготовить ихматериальные модели из-за разнообразияформ: 2 s-электрона представляются в видесферы, 6 p-электронов в виде объемныхвосьмерок, не считая форм их гибридизаций.Обзор журналов «Химия в школе» запоследние два десятка лет (с 1980 года)показал, что попытки представленияэлектрона в виде наглядных образов формэлектронных облаков предпринимались часто[9, 12, 26, 40, 64, 107, 132, 135, 141].
Как отмечено С. Н.Дроздовым [40, с. 52], из практики преподаванияхимии известно, что часть учащихся даже10 класса недостаточно хорошопредставляет пространственноерасположение атомов в молекуле приобразовании ковалентной связи, формумолекул и другие элементы строениявещества. Для лучшего усвоения учащимисяматериала о строении атомов и молекулвеществ им была разработанатетраэдрическая модель электронныхорбиталей из проволоки. Дидактическийматериал к магнитной доске был разработанв виде карточек с изображениями символов изнаков, наклеенных на плотную бумагу, собратной стороны которой крепиласьмагнитная вставка [108, с. 43]. В [132, с. 43]предложены рисунки, являющиесядополнением к приведённым в стабильномучебнике [126]. Эти работы являютсясвидетельством не только дефицитанаглядности в преподавании данноговопроса, но и его сложности. А какотмечалось в [64, с. 41] при введении понятия огибридизации очевидна необходимостьразличных средств наглядности. Из–за неопределенностиформ орбиталей 10 d- и 14 f- конфигурациймодель является незаконченной и неможет применяться для моделированияэлектронной структуры сложных атомов.Да и для простых атомов условияперекрывания орбиталей являются весьмасложными [112]. Кроме того, форма орбиталейпеременна: для объяснения форм молекулдаже на основе простого атома - углеродаприходится вводить понятие гибридизацииих между собой. Оно вводится какестественное следствие конкретизации формэлектронных оболочек, чем ещё болееусложняет модель электронного строенияатома. Сложные эволюции электронныхоболочек характеризуют простые построению атомы второго периода. А что жепроисходит в сложных атомах? Какрасположить различного вида орбиталивокруг одного ядра сложного атома, вкотором их должно быть около сотни? Сиспользуемыми в настоящее время моделямиэто сделать невозможно. А демонстрациястроения атомов изучаемых веществнеобходима. Например, при изучении явленийферромагнетизма веществ, составленныхатомами железа, кобальта, никеля и прочих,или при рассмотрении строения такихсложных атомов, как радиоактивного газарадона (222Ra86), или урана(238U92), на свойствахкоторого основана ядерная энергетика, илиискусственно синтезированногоэлемента Нобелия (255No 102).
В то же время известно, ина этом акцентируется внимание, чтосвободные электроны одинаковы инеразличимы. В такой ситуации закономерновозникает вопрос: не следует ли изучениеметода МО осуществлять в классах суглубленным изучением химии или в качествефакультативного спецкурса?
Из-за неопределенностиформы орбиталей затруднена исравнительная демонстрация разницыковалентных радиусов различных веществ.Традиционно образование ковалентныхсвязей объясняется «перекрываниемэлектронных облаков атомных орбиталейдвух атомов: -«лобовое» и -«боковое» [37]. Непонятно, чем мотивированвыбор таких обозначений. С дидактическойточки зрения перенос буквенныхобозначений из квантовой механики вшкольный учебник представляет собойизлишнюю, невостребованную информацию.Затруднение вращения вокруг линиикомбинированной связи - и - может бытьобъяснено и без помощи этих обозначений,или с помощью моделей Р. Гиллеспи, в которыхвообще нет разделения на - и - связи, арассматривается взаимодействиесвязывающих электронных пары. Привзаимодействии двух электронных парвращение затруднено, что являетсяочевидным при использовании моделей.Согласно модели Гиллеспи, все связывающиеэлектронные пары расположены наодинаковом расстоянии от центра ядра.Объем, который занимает в пространствекаждая связанная электронная пара данногоатома, одинаков для всех пар, а объем,занимаемый несвязанной электронной парой,больше [8, с. 17]. Из квантовой механикиизвестно, что максимумы электроннойплотности 2p- орбиталей расположены ближе кядру, чем для 2s- орбиталей [67, с. 13]. Этоозначает, что модели Гиллеспи являютсяслабо информативными: с их помощью непредусмотрена демонстрация различий врасположении электронных пар. Желательноиспользовать для объяснения механизмаобразования связей такие модели, которыедемонстрируют электронное строениеоболочек взаимодействующих атомов точно,наглядно и без привлечения труднообъяснимой школьнику символики высшейматематики, использующейся в расчетнойчасти квантовой физики.
В основе всехвышеперечисленных недостатковизображения электронных оболочек атомов имолекул лежит противоречие междустабильностью элементарных частиц,составляющих атом, и переменной формойэлектронных орбиталей. Это противоречиеявляется отражением истории становленияатомистских воззрений тех времен, когдачастички вещества называли корпускулами, исчитали их неделимыми [105]. На современныхмоделях это противоречие, трактующееся ужекак двойственность свойств электрона,углубляется и демонстрируется объемнымимоделями атомов (по Стюарту), используемымив качестве раздаточного материала.Например, только для одного атома углеродав наборе используются несколько моделейразличных форм: для четырех связей - подуглами 109°, длятрех - под углами 120°, и двух - под углом 180°. И данногоколичества моделей недостаточно, так какесть соединения, в которых валентные углыотличаются от этих идеальных углов связи.Рациональным выходом из сложившейсяпротиворечивой ситуации представляетсяиспользование новых моделей элементарныхчастиц, составляющих атом, которые должнысочетать в себе следующие качества:узнаваемость форм элементарных частиц ивозможность объяснения с их помощьюпеременной формы электронных орбиталей,возникающих при образовании химическихсвязей. А для этого необходимыуниверсальные модели, тем более чтооболочки всех атомов состоят из одинаковыхчастиц - только из электронов. Такую модельи соответствующие ей методикииспользования необходимо создать.
Сами по себетрадиционно используемые моделиработоспособны и могут использоваться дляопределенных задач моделирования. Нофрагментарность моделируемых свойств,отсутствие между нимиструктурно-логических связей создаетпрепятствия обучению и усложняет процессусвоения информации. Неслучайно в качествеодной из основных трудностей,встречающихся при рассмотрении вопроса охимических связях, называетсясформировавшееся у учащихся (вольно илиневольно) представление об электроне как ошарике [127]. Следует дополнить списокрекомендуемых моделей такими современнымимоделями, которые позволили бы связатьвоедино исторические модели атома,отражающие собой развитие знаний об атоме(Демокрита, Томсона, Резерфорда), модели,ставшие уже традиционными при изучениихимии (шаростержневые, Стюарта – Бриглеба), модели,используемые в вычислительных научныхметодах - метод МО. Необходимо созданиеиерархичной системы моделей, в рамкахкоторой могли бы быть построены различныемодели и объяснены особенности строенияатома, иллюстрируя в зависимости отнеобходимости определенные моделируемыестороны.
В соответствии срезультатами обзора используемых впроцессе обучения моделей становятсяпонятны трудности, которые испытываетучитель. Химические связи – это взаимодействиеэлектронных оболочек атомов, а модели этихоболочек весьма неопределенные. Без этого,к сожалению, приходится констатироватьотсутствие способа изображения иэлектронов, как самостоятельных частиц, ипроцесса объединения их в оболочки. А ведьименно количество и симметриярасположения электронов в оболочке атомаопределяют возможные виды и типы связей,формы молекул и кристаллов. Бездемонстрации расположения электронов воболочке затруднено объяснение свойствэлементов Периодической системыхимических элементов Д.И. Менделеева;понятие сродства к электрону вводитсядекларативно, ненаглядно; имеютсятрудности с объяснением причинобразования разных углов в соединениях сразличными видами ковалентных связей.Обобщая, можно сказать, что затрудненообъяснение тех явлений и процессов, гдеучаствуют электроны атомных илимолекулярных оболочек.
Существуют ещемысленно представляемые (нематериальные)модели атома: планетарная модельРезерфорда, сопровождаемая постулатамиБора, и квантово-механическая [77, с.185], [76,с.160]. Помимо недостатков парадоксальногосвойства планетарной модели (движениеэлектрона в атоме противоречит законамэлектродинамики - для отсутствия излученияэлектрон должен покоиться в атомеотносительно ядра) и невозможностисоздания материальных моделей,соответствующих квантово-механическоймодели атома, они имеют общий недостаток -они не совместимы между собой. Они имеютразличную степень локализации частицы:точка –корпускула и «область вероятностирасположения электрона». Это также создаеттрудности их использования.
Необходимоефункциональное качество модели - этоработоспособность (способность квыполнению своих функций). Модели должны нетолько создавать образ максимальноблизкий к нашим представлениям обобъектах, но и иметь возможностьиспользования для обучения и исследованиясвойств объектов. А для этого используемыемодели (тем более составляющие единыйкомплекс) не должны бытьвзаимоисключающими, они должны бытьсовместимы друг с другом. Особенно этоважно для обучения. В рамках различныхдисциплин - в физике и химии используютсяразные модели электрона. Но для созданияцелостного знания у учащегося необходимо,чтобы эти модели не противоречили другдругу. Например, в химии электронизображается облаком, а в физике он - иточка, и волна. Существующие моделипрактически несовместимы междусобой.
Выводы к главе 1
Как показал анализ,проведенный в первой главе, при изучениистроения атома модели используются часто.В соответствии с требованиями временитребуются простые и наглядные модели,обладающие широкими дидактическимивозможностями, такими как наглядность,научность, адаптивность, перспективность.В связи с этим следует сгладитьпротиворечие между научным знанием иучебным материалом.
1. Модели должны бытьсовместимыми между собой и различатьсялишь степенью сложности, в зависимости отуровня решаемых задач. Это позволитизбежать фрагментарности и отрывочностиусвоения информации, обеспечив связность исистемность знания. В атоме электронырасположены регулярно, чтохарактеризуется определенными энергиямисвязи электронов в атоме. Схемараспределения электронов существует, чтоотражено видом таблицы химическихэлементов, а моделей, создающих ясный образраспределения электронов в каждом атоменет. Необходимо сделать акцент на изучениестроения электронных оболочек, иначеостанется без обоснования периодичностьсвойств элементов Периодической системы Д.И. Менделеева и неясным электронноестроение сложных атомов.
2. Традиционные моделинуждаются в пересмотре и изменении сучетом современных научных данных, вулучшении дидактических качеств,связанных с изменением подходов обучения.Модель и постулаты Бора следует отнести кисторическим пройденным моделям атома.Назрела необходимость разработки ииспользования новых моделей элементарныхчастиц, составляющих атом, которые должнысочетать в себе такие качества какстабильность и узнаваемость формэлементарных частиц – электронов и одновременновозможность объяснения с их помощьюпеременного вида электронных орбиталей,возникающих при образовании различныхвидов химических связей.
3. Необходимасистематизация моделей, позволяющаяформировать взаимосвязанные комплексымоделей для укрепления междисциплинарныхсвязей при изучении физики, химии,биологии. Желательно использоватьуниверсальные модели электрона,применимые в различных разделах дисциплинестественнонаучного цикла. Этого можнодобиться за счет упрощения моделей иоптимизации соответствующих курсовобучения.
Глава 2.Педагогико-эргономические требования ксозданию и использованию моделей дляизучения строения вещества.
2.1. Принцип научности иадаптация новых научных данных дляобучения. Современные тенденции развитиямоделирования.
Среди основныхпринципов целостного педагогическогопроцесса принцип научности обученияявляется важнейшим. В свою очередь,принцип доступности требует, чтобыобучение строилось на уровне возможностейучеников. При слишком усложненномсодержании понижается мотивационныйнастрой, резко падает работоспособность.Вместе с тем при упрощенном содержанииснижается интерес к учению, то естьупрощение содержания обучения снижает егоразвивающее влияние [83, с.47-48].Выдающийся химик и методист А. М. Бутлеровпостоянно подчеркивал, что на всех этапахобучения независимо от учебного заведенияизлагаемые знания должны быть доступныучащимся. Как отмечал И. Н. Чертков,рассматривая значение работ А. М. Бутлеровадля развития методики обучения химии [131,с.17], иногда учителя слишком усложняютучебную программу, считая необходимымзнакомить учащихся с теориями, понятиями,которые недоступны им (теория резонанса,молекулярных орбиталей и др.).
Под научностьюподразумевается не только формированиенаучного подхода к изучаемым явлениям ушкольников, но и научная достоверностьсодержания изучаемого предмета илиявления. Модели, используемые в обучении,должны иметь возможность отражения научноустановленных фактов.
Как было показано вглаве 1, проблемы создания и использованиямоделей объектов микромира существуют.Поставим прикладной вопрос в общем виде:нужна ли при изучении дисциплинестественнонаучного цикла модельэлектрона? А если нужна, то какимисвойствами она должна обладать?Рассмотрим, как решается этот вопрос внаучном сообществе.
В смежных с физикойобластях - в химии, в кристаллографии вкачестве наглядных геометрических моделейатомов используют полиэдры(многогранники), или шары, усеченныеплоскостями, перпендикулярными линиямсвязи. Электрон при этом либо неизображается, либо считается облаком,форма которого неопределенная, изменчивая,но должна показывать пространственноераспределение плотности вероятностинахождения всего электрона в определеннойточке пространства. Строго говоря,определенной наглядной модели электронапросто нет.
Может и вообще не нужнабыла бы модель электрона, если бы...она ужене использовалась в неявном виде и вквантовой химии, и в квантовой физике. Ведьсам термин "перераспределение электроннойплотности" и характеризующие его матрицыэлектронных плотностей подразумеваютнекоторую протяженность и изменяемостьформы электронов. При этом утверждается,что даже сам термин "форма электрона"является некорректным, так как формы уэлектрона нет, размер его неопределенномал, а определение его местоположенияпринципиально невозможно точнее величины,вычисляемой из соотношенияГейзенберга.
Таким образом, отказ отнаглядных геометрических моделей необоснован уже хотя бы тем, что моделируемыеобъекты реально существуют, имеютпротяженность и определенную плотность.Кроме того, для качественного формированияпонятий необходимы именно наглядныегеометрические модели, так как образноевосприятие - самое информативно насыщенноеи помогает усваивать сложный материал.Возможность использования структурныхмоделей тем более важна, что, как известно,в химии «свойства веществ – функция их строения»[134].
Без наглядной, пусть иупрощенной модели, невозможно работать собъектами микромира. Разнообразные моделивсе равно используются, но они содержат нетолько массу недостатков, но и находятся впротиворечии с основными законами физики.Но предложить универсальнуюнепротиворечивую модель электронаневозможно, потому что противоречиясодержаться в самих представлениях обэлектроне. То есть для созданиянепротиворечивой геометрической моделиэлектрона, необходимо избавиться отпротиворечий в представляемых намисвойствах электрона.
Одно из основныхпротиворечий заключается в том, чтоэлектрон представляется частицейбезразмерной, но в то же время имеющеймоменты вращения и, вообще говоря,определяющей размеры атома [1, 18, 19, 56, 80].Чтобы избежать этого противоречия, можновернуться к модели атома, предложеннойШредингером. В ней электронные заряды итоки непрерывно распределены по объемуатомной системы с плотностями,выражающимися через волновую функцию. СамШредингер считал, что: "Квадрат волновойфункции имеет смысл плотностиэлектричества" [136]. Электрон при этомрассматривается в виде непрерывногопотока стационарно вращающегосяэлектрического заряда, потоки энергии вкотором, замкнуты сами на себя и такжестационарны. Возможность использования вквантовой механике представленияШредингера об электроне подробнорассмотрена в работах Власова А. Д. [18, 19]. Вработе [19] не только рассматриваются иинтерпретируются на языке квантовоймеханики предположения Шредингера, но ипроводится историческое и хронологическоеисследование, посвященное причинам отходаквантовой науки от использованияпредставлений Шредингера, единственных,совместимых с классическойэлектродинамикой. Власов А. Д. отмечает, чтоистолкование Шредингера приводит кдинамической модели атома, в которойзаряды электронов непрерывно распределеныпо всему объему атома, и что в связи с этимвозникает новое представление обэлектронах, как о частицах тех же размеров,что и сам атом. При этом стационарновращающийся электрический зарядэлектрона, в полном согласии склассической электродинамикой, неизлучает электромагнитной энергии - потокив нем замкнуты сами на себя и такжестационарны.
Критическоепереосмысление существующих физическихтеорий приводит к появлению новых теорийили предложений пересмотра старых, ранееотвергнутых научно-общественным мнением. Вчастности, сейчас существует много теорий -ревизий старой идеи наличия среды - эфира,проводящей электромагнитные волны. Врамках этих теорий электрон можетрассматриваться как стационарныймногокомпонентный волновой процесс всреде - эфире, характеризующийсярезонансными параметрами этого процесса всреде. Отсутствие излучения электрона наорбите пытаются объяснять замкнутостьютраектории его циркуляции. Однако, выходяза рамки ортодоксальной науки, (с точкизрения натурфилософии) было быестественней предположить, что диссипацияэнергии все же имеет место (хотя бы наизлучение волн, поддерживающих структуруполя электрона). Восстановлениеэнергетического баланса и стационарноесуществование электрона неопределеннодолгое время можно объяснить тем, чтоэлектрон является процессом в активнойсреде - эфире. Иначе говоря, можнопредположить, что электрон являетсярезонансным волновым процессом вструктуре вакуума, или эфира. А его поляпредставляются различными формаминапряженно - деформированных состоянийструктуры эфира. Эту идею высказывал еще Г.А. Лоренц. Электрон представляетсяпреобразователем внутренней энергиифизического или “кипящего” вакуума (илиэфира) во внешнюю, то есть в энергию егоэлектрического и магнитного поля. Насегодняшний день такое теоретическоеположение можно принять только какаксиому, так как невозможность обнаружения"всемирного эфира" в физическихэкспериментах есть одно из его свойств (илиследствие его наличия).
В течение последних 40лет разными авторами активно«реанимируется» и развивается гипотезанеувлекаемого эфира. Например, “Теорияупругой квантованной среды” В. С. Леонова[59], описывающая элементарную ячейку эфиракак электромагнитный квадроупольпланковских размеров и энергий.Планковская длина представляет собойнаименьшую длину в однородной областинедеформированного пространства,свободного от гравитационноговоздействия. Существуют гипотезыувлекаемого эфира, например,“Эфиродинамика” Ацюковского В. А. [6]. Этиисследовательские гипотезы – антагонисты, то естьвходить друг с другом в противоречие.Приемлимой для использования могла быоказаться теория эфира (или вакуума),«увлекаемость» частей которого являласьбы следствием инертности электрических имагнитных полей, оказывающихсопротивление изменениям их структуры.
Однако, даже нерассматривая суть различных теорий,предположений и обоснованность ихвыдвижения, можно отметить значениемоделей в процессе познания и трудности, ккоторым приводит их отсутствие.
Во второй половине 20века становится всё больше сторонниковстаринной модели элементарной частицы ввиде кольцевого вихря. Первое упоминание омельчайшей частице вещества в видекольцевого вихря было сделано более 5 тысячлет - это древнее Тибетское знание.Множество авторов в различных вариантахоткрывают заново эту древнюю модельэлементарной частицы и с ее помощьюразъясняют устройство атома и процессымикромира, не имеющие удовлетворительногообъяснения, или не объясненные вовсе, алишь задекларированные в рамкахсуществующих физических теорий. Например,моделировать электрон в виде частиц,составляющих массу электрона, вращающихсяпо кольцу радиусом 0,193 пм предложил ДидыкЮ.К. [38]. Электрон в виде "устойчивого вихря"был предложен В.А.Ацюковским [6]. Dave Bergman [1, 2]моделирует элементарные частицы в видеторов, размер которых определяется длинойволны Комптона для моделируемой частицы.Канарев Ф.М. [52] изображает вращающимсякольцом и фотон, и электрон. Спин частиц онинтерпретирует как механический моментвращения кольца. Власовым А. Д. [18, 19] былаописана модель ротационного атома,предложенная на основе динамическоймодели атома Шредингера. Беклямишев В. О. [7]предложил электрон изображать тором,окруженным стоячими квантовыми волнами,имеющими на поверхности сферы, окружающейэлектрон, особые узловые точки, количествокоторых соответствует числу электронов наразличных энергетических уровнях s, p, d, f.Бунин В. А. [13] предложил мыслить частицыобъектами, построенными из замкнутыхмагнитных струн. Его модель электрона ввиде вращающейся восьмерки - свернутого“вихревого жгута” - обладает спином,“зарядом”, магнитным моментом.
Модель электронаРомазанова Б. И. [94] – это ограниченная двумя узловымиповерхностями пучность стоячейсферической волны электрическогонапряжения. Средой, в которой протекаетпроцесс, является эфир. Ромазанов эфирмыслит не электромагнитным, а чистоэлектрическим континуумом.
Подобного вида моделиэлектрона обладают новыми возможностями идостоинствами. Но они не универсальны идостаточно сильно отличаются друг отдруга, что препятствует их совместимости.Например, модель электрона в виде торамалого размера, полученная расчётнымприравниванием скорости движения волны(или распределенного заряда) по кольцу кскорости света ”С”, предполагает движениеэлектронов - торов комптоновского размерапо замкнутым траекториям в атоме, чтовозвращает нас фактически к планетарноймодели [38]. Предполагаемое в [1] расположениеэлектронов в атоме в виде тонких торов,объединенных в оболочку на манер одной илинескольких «связок бубликов на веревочке»,или в виде отдельных витков соленоида,взаимно не связанных, приводит ктрудностям моделирования формстационарных электронных оболочек, так какне объясняет причины повышеннойустойчивости определённых электронныхоболочек (устойчивость которых объясняетвид Периодической системы химическихэлементов Д. И. Менделеева). Модельэлектрона Канарева Ф. М. [52] в виде жесткоготора, вращающегося вокруг своей осисимметрии, требует мотивированногообъяснения синхронного и целочисленногоувеличения диаметра электрона иуменьшения частоты его вращения,необходимых для сохранения постоянстваего момента вращения (численно равногопостоянной Планка) в процессах переходаэлектрона с уровня на уровень.
Кеннет Снельсон в 1963году предложил моделировать все электроныв атоме кольцевыми магнитами, изображаятем самым вид электронных оболочек атомалюбой сложности [4]. Модели К. Снельсона небыли востребованы в науке из-заограниченности применения в отсутствиематематического аппарата ихиспользования, который мог быконкурировать с квантовой механикой.
Большинство изприведённых выше моделей, представляясобой простые и наглядные образы, моглибыть использованы в педагогике, нонеразработанность методического аппаратаих использования привела к тому, что ихпросто не заметили.
Существуют и болеесложные модели, которые трудноадаптировать для использования в школе.Например, профессор Сапогин Л. Г. [100]использует в модели электрона понятиетуннелирования: электрон атомной оболочкисовершает квантовые скачки в пределахорбитали не беспорядочно, а сквозь ядроатома, каждый раз проходя (туннелируя)через него. Туннелирует электрон благодарятому, что в это мгновение он находится в«нулевой фазе», при которой мгновенныезначения массы и заряда электрона равнынулю. Опираясь на эту гипотезу, Фоминский Л.П. предложил «полуклассическую» модель, вкоторой «падающий к ядру электронускоряется его электрическим полем дооколосветовых скоростей. А с увеличениемскорости сечение электромагнитныхвзаимодействий частиц, как известно,уменьшается, и частицы не успеваютпровзаимодействовать. Так как ядро и самэлектрон обладают магнитным моментом, топри пересечении падающим электрономсиловых магнитных линий на него действуетсила Лоренца, заставляющая электронотклониться от прямолинейной траектории. Врезультате падающий к ядру электрон непопадает в центр ядра, а пролетает мимо» [90,с. 218]. В этой модели атома электронсовершает гармонические колебанияотносительно ядра, как шарик на резинке.Поскольку движения электрона междуточками максимального удаления от ядраостаются для наблюдателя незаметными, тосоздается иллюзия движения электрона покруговой орбите со скоростью С*=С/137.033. Иллюзиядвижения электрона по круговым иэллиптическим орбитам в атоме несопровождается излучениемэлектромагнитных волн. Модель Л. П.Фоминского популярно изложена и позволяетсовмещать наглядность, свойственнуюклассическим моделям, и квантованностьположений электрона в атоме.
На основе проведённогоанализа существующих моделей электрона,можно сделать вывод, что сложностьпредлагаемых мысленных моделейпрепятствует созданию материальной модели[7, 59, 82, 90, 94, 100]. Кроме того, большинствовышеперечисленных моделей не даютоднозначного способа распределенияэлектронов вокруг ядра сложного атома пооболочкам в соответствии сзакономерностью, на основе которойпостроена Периодическая системахимических элементов Д. И. Менделеева.
Поэтому предлагаетсяиспользовать геометрическую модельэлектрона в виде тонкого тора, размеркоторого больше комптоновской длины иопределяет размер атома [56]. Такой“крупный” электрон может покоиться, тоесть пребывать в стационарном состоянии,уравновесив взаимное притяжение с ядромвзаимным отталкиванием с другимиэлектронами, окружающими ядро атома. Изэтого следует, что модель электрона в видекольца уже не нуждается в жесткойдекларации первого Постулата Бора и нетребует возведения соотношениянеопределенностей Гейзенберга в принцип,так как электрон представляется системой сраспределенными параметрами,характеризующимися известнымсоотношением В. Гейзенберга.
При геометрическоммоделировании элементарной частицы тонкимтором, или кольцом, снимается антагонизмкорпускулярно-волнового дуализма: кольцосимволизирует волновой процесс циркуляциираспределенного заряда по замкнутомуконтуру, что демонстрирует волновуюприроду частицы, а корпускулярные свойстваобъясняются ограниченностью процесса впространстве. Размер кольца, изображающегоэлектрон, зависит от напряженности поляядра или системы ядер, поэтому являетсявеличиной переменной. На внешних оболочкахего размеры близки к 1 (100пм) и определяют валентныеразмеры атома в соединениях.
Прежде чем переходитьнепосредственно к описаниюзакономерностей моделированияэлектронных конфигураций атомов, молекул икристаллов с использованием моделиэлектрон - кольцо, следует обратитьвнимание на то, что модель эта являетсяупрощенной - в ней не отражается внутренняяструктура электрона. А для моделиэлектрона, характеризующейся размерамипорядка ангстрема (10-10м) возможность описаниявнутренней структуры имеетзначение.
Известно, что в эффектеКомптона сечение поглощения энергии имеетмаксимум на длине волны о= h/(mec), что соответствует равенствуэнергии падающего фотона полной энергииэлектрона (hо=0,511 Мэв) [54].Максимальная передача энергии междуизлучением и электронами,осуществляющаяся при совпадении энергиифотона с полной энергией электронаозначает, что максимуму передачи энергиисоответствует равенство длины волныпадающего излучения о комптоновской длиневолны электрона. Опираясь на этотрезультат, по аналогии с классическимэффектом резонанса, можно предположить,что внутренняя структура электронасвязана с комптоновской длиной. Посколькупредполагается, что электрон - этомногокомпонентный волновой процесс, тоодной из его компонент может бытьраспространение фронта волныкомптоновской длины по кольцу. Этодвижение можно представить в виде смещенияв кольце узлов и пучностей комптоновскихволн. Объясняется это движение тем, что попериметру кольца укладывается нецелоечисло волн. Число волн комптоновской длины,укладывающихся в периметре тора равновеличине, обратной так называемойпостоянной тонкой структуры – «» (1/ =137.036). Величина«» (постояннаятонкой структуры) определена вэкспериментах и является постояннымкоэффициентом, встречающимся в расчетах.Движение каждого узла волны комптоновскойдлины можно рассматривать какраспространение фронта электронной волныпо замкнутой траектории. Таким образом,предлагаемая модель электрона позволяетрассматривать спин как момент, возникающийв результате циркуляции по кольцу узлов ипучностей электронной волны, продвижениекоторых вполне может соответствоватьдвижению в контуре (в частном случае вкольце) распределенного заряда, суммарноравному элементарному.
Математически спин какмомент, возникающий в результатециркуляции потока энергии, илираспространения фронта волны позамкнутому контуру уже рассматривался [80].Наличие у электрона, моделируемого кольцом(или другим замкнутым контуром), магнитногомомента позволяет использовать в качествематериальной модели кольцо с током. Нопредпочтительнее использовать не кольцо(тор), а гибкие замкнутые контуры с током. Сих помощью можно демонстрировать и принципнеопределенности. Если аналогом электронаявляется контур с током, то аналогомпроцесса обнаружения электрона являетсяразряд в точке контакта с этим контуром. Дотех пор, пока искровой разряд не произошел,положение электрона точно неопределено. Но искровой разряд (аналогпроцесса поглощения, то есть обнаруженияэлектрона) может произойти в любой точкеконтура с током. Если и далее прослеживатьэту аналогию, то надо заметить, что формапроводника может быть различной, взависимости от накладываемых на неговнешних взаимодействий, но непроизвольной, а стремящейся к наиболеелаконичной форме, например, к кольцу сцелью минимизации потерь магнитным полемэтого проводника.
Для моделированиятолько магнитной составляющей поляэлектрона можно использовать кольцевыемагниты. Использование магнитных колецпозволяет моделировать взаимодействиеэлектронов в оболочках. У модели электронав виде магнитного кольца будет дваварианта расположения в кольцеграннойоболочке: северным или южным полюсом кядру. Вектор, соединяющий N (северный полюс)и S (южный полюс), совпадает с вектором спин.Этот вектор направлен по нормали к кольцу.Наличие у электрона магнитных свойствявляется причиной образования в атоменескольких особенно устойчивыхэлектронных оболочек. Модели устойчивыхоболочек представляют собой наиболеесимметричные фигуры из колец, в которыхсоприкасающиеся кольца-электроныхарактеризуются различными знаками спин.На моделях они показаны кольцами разногоцвета. Метод геометрическогомоделирования электронных оболочек в видекольцегранников позволяет нагляднодемонстрировать повышенную устойчивостьэлектронных оболочек из 2, 8, 18 и 32электронов. Также с помощью новой моделиможно объяснить наличие у электрона ватоме орбитального момента - это момент,возникающий из-за несовпадения центраэлектрона - кольца с геометрическимцентром оболочки, в котором находится ядроатома. Математическая процедураразделения момента импульса на двенезависимые части, первая из которыхописывает орбитальный момент, а вторая– спин,приведена в статье: «Что такое спин?» [80, с.75].
Модель электрона в видеполяризованной по кругу волныкомптоновской длины, фронт которойраспространяется по кольцу, равномурадиусу первой орбиты Бора (0.529 ) неявляется полным определением электрона, алишь характеризует одну из компонентволнового процесса, составляющегоэлектрон.
Так как колебательныепроцессы с существенно различающимисядлинами волн почти не взаимодействуютмежду собой, то вторичной структуройэлектрона (относительно волн Комптона)может быть наличие в кольце стоячих волн. Вэлектронном кольце их укладывается целоечисло, что может демонстрироватьцелочисленность главного квантового числа«n». В частности геометрические моделиэлектронных оболочек позволяют подсчитатьчисло точек контакта колец вкольцегранниках, которое должно быть равноили кратно числу узлов в колеблющихсякольцах - электронах.
Такая модель имеетвозможность описания квантовых переходов.Под этим подразумевается не бесконечнобыстрый процесс перескакивания электрона,а процесс перехода электронного окруженияатома из одной формы колебаний в другую.Например, изменение суммарного числастоячих волн, уложенных в кольцевыхэлектронах какой-либо фиксированнойоболочки, будет сопровождаться изменениемэнергетического состояния всего атома иопределенным образом должно зависеть отэтих целочисленных величин. Как отмечалШредингер, "изменение форм колебанийвсегда может происходить непрерывно впространстве и времени, оно может длитьсявремя, равное экспериментальноопределенному времени излучения" [136].
Электрон проявляет себякак многокомпонентный волновой процесс,каждая из компонент которого может (а сдидактической точки зрения и должна) бытьотображена соответствующим образом. Какотмечала Михайлова И. Б. «в том случае,когда у нас есть образ интересующей насстороны объекта, модель попросту не нужна»[71]. Если образа нет, то его следует создатьс помощью модели, или образа-модели.Образ-модель отличен от образанепосредственного живого созерцания тем,что это условный образ. Рольобраза-модели в формировании комплексамоделей и последовательность егоформирования показана на схеме 2.1.
Значительнойдидактической функцией обучающих моделейявляется адаптивность к уровню знанийобучаемого. То есть сложность моделидолжна соответствовать не сложностимоделей «переднего края науки», а уровнюзнаний субъекта обучения, должнасоответствовать познавательнымвозможностям учащихся, их подготовке ивозрастным особенностям. В этом случаепростота восприятия напрямую связана снеминуемой популяризацией и упрощениемучебного материала. Конечно, упрощение недолжно происходить в ущерб научности, тоесть адаптивность модели не должна входитьв противоречие с еёинформативностью.
Схема 2. 1.
Формирование комплексамоделей
В современноминформационно-насыщенном мире быстроменяются условия обучения: увеличиваетсясуммарный объем изучаемого материала,сокращается количество часов, посвященныхизучению естественнонаучных дисциплин, вчастности и физики, и химии. В соответствиис изменяющимися условиями и методамиобучения должны претерпевать изменения имодели, используемые для обучения. Изобщего количества используемых в обучениимоделей, число которых непрерывновозрастает в связи с накоплением новойнаучной информации, требующей новых формдемонстраций, необходимо выделять модели,интенсифицирующие процессы обучения,образующие взаимосвязанные комплексысредств обучения. Должна повышатьсявозможность иерархического распределениясредств обучения и взаимного их сочетанияв процессе обучения, соответствиеопределенным приёмам работы и формамдеятельности. Также должна возрастатьспециализация моделей, то есть моделидолжны ярко и желательно однозначноотражать моделируемые качества. При этомдолжна сохраняться преемственностьмоделей, их совместимость ивзаимозаменяемость.
Как было рассмотрено впервой главе диссертации, прииспользовании в процессе обучения моделейатома и элементарных частиц, егосоставляющих, существует проблемаадаптации научных моделей для обучения.Научно-исследовательская модель электронав виде волнового кольца из-за наличиявнутренней структуры является сложной. Сцелью лучшей адаптации обучающих моделейна первом этапе использования можно нерассматривать сложную внутреннююструктуру электрона, а использовать вкачестве упрощённой геометрической моделиэлектрона простую форму замкнутого на себяпотока энергии - кольцо (или тонкий тор).Такое предложение консервативно, нооправдано, тем более что получение прямыхдоказательств или опроверженийпредполагаемой структуры электрона до сихпор затруднено. Это связано с тем, чторазрешение самого точного инструментаэнтроскопии на сегодня - сканирующегоэлектронного микроскопа колеблется от 2 до20 [92] в товремя как предполагаемый размер кольца– электронапорядка 1.Поэтому целесообразным представляется непопытка создания модели, адекватнойдействительности, а постановка задачисоздания работоспособной модели. Подработоспособностью подразумеваетсявозможность использования модели во всехосновных операциях, характерных длямодельного эксперимента, сформулированныхШтоффом В. А. [137, с.121]: построение модели,экспериментальное её исследование ипереход от модели к натуральному объекту,состоящий в перенесении результатов,полученных в исследовании, на этотобъект.
Анализ традиционныхмоделей, проведенный в первой главедиссертационного исследования, показал,что при современных тенденциях кразностороннему изучению строения атома,использование традиционных моделей неявляется достаточным для формированияцелостной и взаимосвязанной картиныстроения атома, отличающейся простотой инаглядностью. Необходимо дополнитьтрадиционно используемые в школескелетные и шаро-стержневые модели [28, 73, 84,]кольцегранными моделями электронныхоболочек атомов и молекул [4, 56].Использование кольцегранных моделейпозволяет демонстрировать электронноестроение оболочек, причем не тольковнешних, но и внутренних. Эти моделихарактеризуются универсальным подходом кмоделированию: каждый электрон оболочкилюбого атома изображается кольцом (илигеометрической моделью в виде тонкоготора). Кольцегранные модели демонстрируютрасположение электронов в атомах исоединениях, что позволяет изображать иобъяснять формы атомов в объёмных моделяхСтюарта, Полинга, орбитальных имолекулярных моделях Тартускогоуниверситета [55].
Посколькукольцегранные модели конструктивносложнее моделей Стюарта, предлагается длямоделирования соединений с большим числомоднотипных атомов использовать объемныемодели Стюарта, предварительно рассмотревэлектронное строение каждого, входящего всоединение, атома в видекольцегранника.
Достоинства моделиэлектрона в виде кольца заключаются нетолько в отсутствии недостатков старыхмоделей, но открывает новые возможности вмоделировании. Изготавливаемые моделивеществ подробнее описывают электроннуюструктуру вещества, то есть являются болееинформативными. Использование этихмоделей позволяет сжать объём информации,предназначенной для усвоения учащимися, засчет отсутствия сложных моделеймолекулярных орбиталей. Большинствообъяснений и демонстраций формэлектронных орбиталей (или электронныхоблаков) и закономерностей их гибридизацииможно опустить, используя одну простуюмодель электрона в виде кольца ипростейший алгоритм моделированияэлектронных оболочек в видекольцегранников. От использования методамоделирования электрона в виде кольцаожидается существенное повышениепедагогической эффективности обучения.Появляется возможность строить наглядныемодели электронных оболочек, что раньшебыло затруднено: в лучшем случае,изображались валентные электроны(мысленно вырванные из электроннойоболочки) или “учитель предлагал учащимсямысленно располагать электронные облакакаждого атома” [28, С.19], или изготавливалисьсамодельные статические или динамическиемодели электронных облаков. В. В. Загорский,рассматривая то, как в системевальдорфской педагогики преподаютсяразличные предметы, сделал вывод, что«лучше исключить из программы 7 – 9 классов всеабстракции (электронные орбитали, теориюгибридизации и даже современноеобоснование периодического закона),оставив их для 10 – 11 классов» [43, с. 11]. Аналогичноепредложение было сделано и без привлеченияновых методов обучения при анализеметодики изучения раздела «Общаяхимия». Т. В. Смирнова предлагала перенестиизучение s- и p- орбиталей в углубленный курсили изучать их в разделе «Общая химия» [106].Это тем более актуально, что существующаятенденция развития пропедевтическихкурсов химии [22, 42] и взаимосвязи курсовестествознания и химии приводят к тому, что«понятия о химическом элементе, простых исложных веществах вводят в 6 и 7 классах,используя модели, в том числеизготавливаемые учениками из пластилина»[42, с. 30]. Егорова А.А. акцентирует вниманиена том, что «школьники среднего возраста (11– 13 лет)обладают гораздо большими способностями,чем те, на которые ориентируютсятрадиционная педагогика и методика» [42, с.31]. Следует более тщательно рассмотретьвопрос, с какого возраста возможноиспользование кольцегранных моделей,можно ли это делать в курсе естествознанияс шестого класса, или только в курсе химии с8 класса?
Рассматриваемые встарших классах современные представленияоб электронном и пространственномстроении атомов и молекул убедительносвидетельствуют о том, чтоэлектронно-ядерные взаимодействия,приводящие к пониманию энергии системы,служат необходимым и достаточным условиемвозникновения химической связи. В связи сэтим перекрывание облаков не причина (какоб этом иногда говорят и пишут), а лишьследствие электронно-ядерныхвзаимодействий, приводящих кколлективизации ядер и образованиюединого молекулярного электронного облака[134].
2.2.Педагогико-эргономические требования кмоделям атомов и молекул
и их новыедидактические возможности.
К моделям, используемымв школе, предъявляется рядтребований:
1. Модели должны служитьформированию у учащихся систематических ипрочных научных знаний, а такжепрактических умений и навыков.
2. Информация,передаваемая с помощью моделей, должнасоответствовать современному состояниюнауки и техники, опираться нафундаментальные знания.
3. Содержание, объем иглубина, заложенной в модели информации,должна соответствовать содержаниюпрограммы и познавательным возможностямучащихся, учитывать их подготовку ивозрастные особенности.
4. Модель должна бытьнаглядной, обеспечивать быстроту иточность получения нужнойинформации.
5. К моделям обязателенобъяснительный текст (описание, инструкцияпо сборке и хранению, схемы монтажа,методические рекомендации по ихиспользованию на уроке и т.п.)
6. Модели должны бытьпростыми и удобными в работе (демонстрация,крепление, легкость сборки и разборки), вупаковке, хранении итранспортировке.
Поэтому припроектировании моделей необходимоучитывать общие педагогико-эргономическиетребования, обусловленные дидактическимивозможностями и функциями этого видасредства обучения, а именно:информативность, адаптивность копределенному способу деятельности,инструментальность, комплементарность(свойство дополнять недостающие признаки и“работать” в системе с другими средствамиобучения), а также специфическиетребования, продиктованные особенностямисодержания учебного предмета и отборомнаиболее предпочтительных наглядных форм[73]. Проектирование моделей опирается насистему педагогико-эргономическихтребований. Из них принципнаучности обучения являетсяважнейшим. Одновременно с принципомнаучности, принцип доступности требует,чтобы обучение строилось на уровневозможностей учеников, большое значение виспользовании обучающих моделей играетвозможность их адаптации к уровню знанийобучаемого. Сложность модели должнаотражать не сложность моделей «переднегокрая науки», а уровень знаний субъектаобучения, должна соответствоватьпознавательным возможностям учащихся, ихподготовке и возрастным особенностям.Спецификой учебных моделей являетсяпростота восприятия, напрямую связанная снеминуемой популяризацией и упрощениемучебного материала. Важно, чтобы упрощениене происходило в ущерб научнойдостоверности, то есть адаптивность модели недолжна входить в противоречие с её информативностью.
К общимпедагогико-эргономическим требованиямотносится инструментальность:максимальная простота и удобствоиспользования моделей и однозначная ихадресованность выбранным изучаемымявлениям или процессам, комплементарность:свойство дополнять недостающие признаки и“работать” в системе с другими средствамиобучения. Комплементарность, или свойстводополнять недостающие признаки и“работать” в системе с другими средствамиобучения, связана с требованием совместимостиразличных моделей: их взаимнойнепротиворечивости и возможностипересечения границ применения. Всовременных условиях развития средствобучения, основанных на компьютерныхтехнологиях, важным качеством моделейявляется интерактивность,возможность представлениядинамических видео-образов ивзаимодействия с ними с помощьюкомпьютерных графических программ,компьютерной анимации и слайдов.
.
Схема 2. 2
Педагогико-эргономическиетребования
к проектированиюмоделей
При проектированиимоделей необходимо учитывать как общиепедагогико-эргономические требования(схема 2.2), обусловленные дидактическимивозможностями и функциями этого видасредств обучения, так и специфическиетребования, продиктованные особенностямисодержания учебного предмета и отборомнаиболее предпочтительных наглядных форм.Большое значение имеет возможностьиспользования динамических моделей.Главным преимуществом динамическихпособий по сравнению со статическимиявляется то, что заложенная в нихинформация для восприятия представляетсячаще всего не вся сразу, а определённымипорциями, постепенно. При использованиидинамических средств наглядностидостигается подлинное соответствиезрительного восприятия ходу, движениюмышления.
Рассмотренаисторически сложившаясяпоследовательность употребления моделейатомов, молекул и составляющих ихэлементарных частиц, используемая всовременной системе обучения. По мерепродвижения научного познания исовершенствования науки развиваются,уточняются и обогащаются не толькоотдельные её понятия, но система понятий.Системный подход проявляется всистемно-структурном иструктурно-функциональном анализе понятийи их систем при изучении сложныххимических объектов как целостныхформирований. Одним из рациональных путейобучения химии и формирования системпонятий является структурированиепонятийного содержания с целью его сжатия,упорядочения и выделения оптимальныхвариантов раскрытия понятий курса. Вместес понятийной базой развиваютсяинформационные и технологические средстваобучения, являющиеся существеннойподдержкой курса, появляются новые модели.Наглядные модели, как существеннаясоставная часть средств обучения, тожедолжны быть объединены вовзаимосвязанные комплексы.
Объективный процесснаучного познания приводит к накоплениюинформации. В системе обучения этотпроцесс отражается увеличением количестваиспользуемых моделей, число которыхнепрерывно возрастает. Необходимопроизводить отбор моделей,удовлетворяющих требованиямнеобходимости и достаточности дляорганизации полноценного процессаобучения. Возникает потребностьиерархического распределения моделей и ихсоответствие определенным приемам работыи формам деятельности. Должна возрастатьспециализация моделей, то есть моделидолжны ярко и однозначно отражатьмоделируемые качества. При этом должнасохраняться преемственность моделей, ихсовместимость. Системность моделей, ихспособность работать в комплексе с другимисредствами обучения также являетсясовременным педагогическимтребованием.
Специфическиетребования к моделям определяютсяособенностями моделируемого объекта илимоделируемой стороны оригинала и формойнаглядного предъявления изучаемогоматериала. Как отмечено в [88, с.245], присоздании и использовании наглядныхпособий следует иметь в виду следующие дваобстоятельства. Сначала происходитперенос знаний об изучаемом объекте наразрабатываемое наглядное пособие. Такойперенос знаний об изучаемом объекте нанаглядные пособия, то есть конструированиеих, проводится обычно учителем илиметодистами на основе дидактическихтребований, разработанных педагогикой ичастными методиками. Когда наглядныепособия используются в школе, происходитвторой (обратный) перенос знаний – переход от наглядныхпособий к объектам изучения, например, отмодели атома к его строению. Наибольшиезатруднения при втором переносевстречаются в процессе изучения явлениймикромира, например, строения атомов имолекул. Это связано с тем, что модельмикрообъекта не отражает внешнегосходства с микрообъектом, а являетсятолько аналогией, отображением егоструктуры, своеобразной имитацией, исуществует реальная опасность того, чтоучащиеся могут отождествить наглядноепособие с объектом изучения, например,динамическую модель атома могутвоспринять как некую увеличенную копиюатома. Следовательно, необходимонастойчиво подчеркивать, что эти моделилишь отражают структуру микрообъектов,принципы их строения, но не воспроизводятвнешнего вида микрообъектов, они изоморфныпо отношению к изучаемому микрообъекту.
При моделированииобъектов микромира к специфическимтребованиям можно отнести требованиеиспользования статических моделей сэлементами динамики. В практике работыучителя используются и статические, идинамические наглядные пособия. Если встатических пособиях процессы отражены вцелом, без их постепенного развития, то вдинамических пособиях процессыпоказываются в развитии. Главнымпреимуществом динамических пособий посравнению со статическими является то, чтозаложенная в них информация для восприятияпредставляется чаще всего не вся сразу, аопределёнными порциями, постепенно. В этомслучае внимание учащихся не рассеиваетсяна разные объекты изучения, аконцентрируется лишь на одном,определённом объекте или части его. Крометого, при использовании динамическойнаглядности на первый план выступаетнепроизвольное внимание, котороепостоянно поддерживается интересом кдинамически развивающимся и обновляющимсядеталям пособия.
При использованиидинамических средств наглядностидостигается подлинное соответствиезрительного восприятия ходу, движениюмышления. Например, если сравнитьразличные статические пособия по строениюатомов и химической связи (схемы, таблицы,шаро-стержневые модели и пр.) сдинамическими, то оказывается, чтоучащиеся воспринимают последние с большиминтересом. В этом случае в средней школеможно успешно вводить элементарныеквантово-механические представления остроении атомов и молекул.
