Разработка интерактивных моделей микромира и методика их использования при изучении школьного курса

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Разработка интерактивных моделей микромира и методика их использования при изучении школьного курса химии

Калуга, 2007

Содержание

Введение

Глава 1 Использование интерактивных компьютерных моделей микромира в химии (литературный обзор)

1.1 Компьютер в образовании

1.1.1 Компьютерные технологии в обучении

1.1.2 Дидактические свойства информации

1.2 Учебные компьютерные программы

1.2.1 Достоинства и недостатки учебных компьютерных программ

1.2.2 Классификация и требования к учебным компьютерным программам

1.2.3 Рекомендации по структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы

1.3 Дидактические особенности интерактивных компьютерных моделей

1.3.1 Состав и структура учебных компьютерных моделей

1.3.2 Различия между натурным экспериментом и экспериментом с ИКМ

1.3.3 Развитие теоретического мышления с помощью ИКМ

1.2.4 Реализация структурных элементов урока при использовании компьютерных моделей

1.4 Компьютерные модели в обучении химии

1.4.1 Химические модели

1.4.2 Классификация компьютерных моделей

1.4.3 Компьютерные модели микромира

1.4.4 Структура и содержание компьютерных моделей в ЭИ

Глава 2 Структура и компоненты интерактивного задания с использованием компьютерных моделей для изучения темы «Химическая связь и метод ВС»

2.1. Формулировка интерактивного задания

2.2 Подсказка как способ активации мыслительной деятельности

2.3 Техническая помощь

2.4 Визуализации

2.5 Ответ

2.6 Взаимодействие учащихся с интерактивным заданием

Глава 3 Возможности использования интерактивных компьютерных моделей микромира на уроках химии

3.1 Методика использования интерактивной компьютерной модели при изучении темы «Химическая связь и метод ВС»

3.2 Особенности методики проведения уроков с использованием программ «Химия(8-11 класс). Виртуальная лаборатория» и « Химия для всех XXI: 9 класс»

3.3 Варианты уроков с применением компьютерных моделей программ «Химия(8-11класс). Виртуальная лаборатория» и «Химия для всех XXI: 9 класс»

3.3.1 Урок: Алканы. Строение, изомерия

3.3.2 Урок: Алкены. Строение, изомерия и номенклатура

3.3.3 Урок: Фосфор и его соединения

3.3.3 Урок. Оксиды азота

3.4 Результаты апробации

Выводы

Литература

Введение

Перед российской школой стоит важнейшая задача подготовки грамотных и высококвалифицированных специалистов, поэтому одним из направлений модернизации российского педагогического образования является создание системы открытого образования, основанного на использовании информационных образовательных технологий дистанционного обучения и формирование единой информационной образовательной среды на базе использования новых информационных технологий и, в частности, разработка современных электронных средств обучения[19].

Одним из элементов электронных средств обучения являются интерактивные учебные компьютерные модели. Метод моделирования в настоящее время является одним из ведущих в процессе познания, а использование компьютерных моделей в процессе обучения позволяет познакомить учащихся с этим методом познания, расширить возможности предъявления учебной информации.

В настоящее время имеется большое число программных средств обучения, содержащих в своем составе различные типы учебных компьютерных моделей, однако даже ввиду такого большого разнообразия учебных компьютерных моделей, их использование в некотором роде затруднительно из-за недостаточно разработанной методической базы, недостаточности исследования функциональных возможностей УКМ, однако, в последнее время, создан ряд моделирующих программ, и разработаны рекомендации к содержанию, функциональным возможностям учебных компьютерных моделей и методам их использования в процессе обучения.

Целью
работы является разработка сценария интерактивной компьютерной модели микромира для школьного курса химии[21].

Объектом исследования
является деятельность учащихся при обучении химии в условиях использования интерактивных компьютерных моделей в учебном процессе.

Предмет исследования
– учебные компьютерные модели и методы их использования при изучении школьного курса химии.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи
:

1.
Провести анализ учебно-методической литературы и электронных изданий на предмет использования интерактивных компьютерных моделей при обучении химии.

2.
Разработать сценарий интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем».

3.
Разработать сценарии уроков и методические рекомендации по использованию компьютерных моделей в школе.

4.
Провести апробацию элементов данной методики.

Методы исследования
:

1.
Анализ учебно-методической литературы и электронных изданий.

2.
Разработка сценария интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем».

3.
Разработка уроков и методических рекомендаций по использованию компьютерных моделей.

Практическая значимость
данной работы определяется возможностью использования данной учебной компьютерной модели в образовательном процесс

Выпускная работа состоит из трех глав. Первая глава – литературный обзор по проблеме использования интерактивных компьютерных моделей микромира в школьном курсе химии. Во второй главе представлена структура и состав интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем». В третьей главе описаны методика использования данной интерактивной компьютерной модели на уроках химии и методика проведения уроков с использованием интерактивных компьютерных моделей микромира программ «Химия (8 – 11 класс) Виртуальная лаборатория» и «Химия для всех XXI: 9 класс».

Глава 1 Использование интерактивных компьютерных моделей микромира в химии (литературный обзор)
1.1 Компьютер в образовании
1.1.1 Компьютерные технологии в обучении

Нынешний век – век информационных технологий. Информация становится приоритетной ценностью во всех областях знания, политики, экономики, культуры. Отсутствие информации, ее недостаток ведут к печальным последствиям как для специалиста в его профессиональной деятельности, так и для нации, для народа в целом. Те, кто владеет информацией, получают мощный рычаг для дальнейшего продвижения в своей области знания, профессии. Важно уметь искать нужную в данный момент информацию, уметь анализировать ее, уметь искать и находить достойные внимания достоверные факты и оперировать с ними. Все это входит в понятие критического мышления. Поэтому в наш информационный век нет ничего более важного, чем формирование самостоятельного критического мышления, что в свою очередь предполагает интеллектуальное и нравственное развитие личности[6].

Очевидно, что традиционное обучение не в состоянии решить многие проблемы не только высшего, но и среднего образования. Современный человек должен иметь возможность выбора различных форм, способов обучения в разные периоды жизни. Дистанционная форма обучения должна органично влиться в систему непрерывного образования. Под дистанционным обучением
понимают процесс обучения, в котором учитель и ученик или учащиеся географически разделены и потому опираются на электронные средства и печатные пособия для организации учебного процесса[29].

Множество знаний, по сути специфичных, становятся обиходными для современного человека, усиливается принадлежность этих знаний к общекультурным. Они находятся в динамичном состоянии, постоянно развиваются, видоизменяются, совершенствуются, их приобретение человеком – каждодневная необходимость.

Конец двадцатого столетия характеризуется созданием мировой информационной структуры, превращением информации в экономическую категорию, развитием различных информационных технологий, в том числе и в сфере образования. Все большее число людей занимаются обработкой и передачей информации.

Для целей образования компьютер предоставляет ряд инструментов, с помощью которых осуществляется процесс обучения:

- Интерактивность

- Производительность

- Мультимедиа

- Моделирование

1. Понятие интерактивность
имеет разные формулировки. Горалик Л. А. пишет: «интерактивный – это такой, в котором получаемая информация зависит в той или иной мере от вашей реакции на информацию, полученную ранее…»[33].

В концепции ЭИРОЗ написано: «Интерактивностьв переводе с английского означает всеголишь взаимодействие». Интерактив от английского interaktiv,
т.е., взаимодействие. И действительно именно взаимодействие человека с окружающей и социальной средами составляет сущность его существования. Здесь компьютер дает революционные возможности даже при использовании достаточно скудного его оснащения, т.е., используя только мышь и клавиатуру. Однако, этого бывает вполне достаточно для взаимодействия человека с машиной. Поэтому чаще всего говорят о интерактивном режиме работы. По существу это означает поочередные «высказывания» (в широком смысле - от выдачи информации до произведенного действия) каждой из сторон. Причем каждое высказывание производится с учетом как предыдущих собственных, так и высказываний другой стороны[34].

Сам процесс взаимодействия человека с компьютером можно разложить на элементы и представить как некий сигнал от человека к машине (или обратно) и ответ на него, который непосредственно влияет на дальнейшие действия запрашивающей стороны. Т.е., присутствует некий «запрос» со стороны пользователя и «реакция» на этот вопрос со стороны машины. Поэтому важно, используя простейшие элементы, составлять более сложные цепочки, в которых реакции на предыдущие запросы определяют содержание последующих. Например, системы – тренажеры, в которых сложность задания определяется правильностью и скоростью ответов на предыдущие задания.

В настоящее время главным способом организации интерактива является использование экранного меню[34]. Однако, это не единственный способ; также распространены способ создания символьной строки с клавиатуры и способ перемещения объектов на экране, последний обеспечивает легкость и простоту в работе. В данном случае происходит совмещение курсора мыши с виртуальным телом, тем самым, обеспечивая движение этого тела. Таким образом, можно сопоставлять свойства объектов.

Элементы, в которых компьютер задает вопросы пользователю, характерны для обучающих программ. Даже электронные издания первого поколения, в которых использовались вопросы с выбором ответа или его вводом виде текста или цифр, уже имели одну очень важную черту, отличающую их от печатных задачников: возможность проверить правильность своего решения, не узнавая самого ответа.

К инструментальным интерактивным программам относят также виртуальные конструкторы и лаборатории – это открывает очень большие возможности, т.к., именно здесь в наибольшей степени реализуется способность компьютера к моделированию процессов и сред.

2. Коммуникативность
очень важна, ведь это возможность непосредственного общения на расстоянии, мобильного предоставления информации. Основополагающим здесь является создание виртуальных сетей, с помощью которых происходит обмен информацией в реальном времени[33].

3. Мультимедиа –
это технические системы, обеспечивающие работу пользователя со статичными и динамичными видоизображениями, анимационной, компьютерной графикой, текстом и звуком. Этот инструмент имеет два основных преимущества: качественное и количественное. Мультимедиа предоставляет качественно новые возможности восприятия человеком действительности, особенно наглядно это продемонстрировать в сравнении словесных способов описания какого – либо явления с непосредственным аудиовизуальным представлением. Количественные преимущества в том, что имеет большую информационную плотность. Сопоставим: одна страница текста содержит около 2 Кбайт информации. Прочитать этот текст можно за 2-3 минуты. За это же время просмотренное видео приносит порядка 2000000Кбайт. Поэтому лучше один раз увидеть, чем много раз услышать[34][33].

4. Моделирование
объектов, процессов и явлений – одно из первых применений компьютера. Моделирование – это бесконечное множество возможностей – от формирования простых моделей до создания виртуальной реальности. Сегодня можно моделировать не только изучаемые предметы, процессы, но и естественную среду и действия пользователя в ней. Поэтому внедрение элементов моделирования в учебный процесс необходимо для модернизации образовательных программ[34].

1.1.2 Дидактические свойства информации

Компьютер – это инструмент для обработки информации. Информация не является физическим объектом, она не имеет массы, протяженности. Информация может возникать из пустоты и исчезать бесследно. Это совершенно непривычное поведение для объекта, но такова информация.

Информацией можно обмениваться, ничего при этом не теряя, однако у информации есть и более привычные свойства. Выделяется несколько особо важных свойств[29].

Достоверность
– наиболее важное свойство информации, ведь недостоверность информации может привести к непониманию или принятию неверных решений. Достоверность информации может зависеть от времени, так что достоверность тесно связана со свойством динамичности информации. Искажение достоверности информации может происходить на разных этапах ее получения:

1.может оказаться недостоверной сама исходная информация;

2.искажения могут возникнуть при передаче;

3.информация может быть неправильно воспроизведена на носителе.

Достоверная информация может оказаться неясной или неполной.

Ясность
информации означает, что язык, на котором представлена информация, понятен живому существу или устройству, обрабатывающему эту информацию. Это свойство информации имеет первостепенное значение при ее передаче в рамках Интернета, ведь при этом используется значительное число различных языков, как человеческих, так и формальных (предназначенных для обработки компьютерными программами и устройствами)[32].

О полноте
информацииможно говорить, если ее не хватает для понимания или принятия решения. Из – за неполноты информации может быть принято неверное решение.

Ценность
зависит от значимости задач, решаемых с ее помощью. Важно учитывать, что чем более ценной является информация, тем большей оказывается ее цена.

Актуальность
информации имеет большое значение при работе в быстро меняющихся условиях. В педагогическом плане актуальность соотносится с задачами мотивации.

Статичность/динамичность
информации характеризует, насколько часто изменяется информация. Это свойство тесно связано с другими свойствами, такими, как достоверность, актуальность.

Статичная информация долго сохраняет как достоверность, так и актуальность. Динамичная информация недолго сохраняет достоверность и актуальность.

Стабильность источника
характеризует устойчивость, постоянство доступности источника информации в сети по конкретному адресу. Нестабильность может быть вызвана как техническими проблемами.

Структурность
информации означает, информация неоднородна, разные участки передаваемой информации могут иметь разный смысл. Это значит, что при описании информации могут использоваться языки разного уровня и разных типов. Одним из аспектов структурности информации является подразделение информации на виды:текст, программы, аудио- и видеоинформация.

Количество
информации – наиболее распространенное ее свойство. Психологически показателем количества информации может служить объем носителя, т.е. определение объема информации на глаз. Однако судить об этом сложно, т.к., количество информации, содержащийся в фотографии, уменьшающейся на части страницы книги, может оказаться большим, чем в книге среднего объема без иллюстраций.

Педагогическая готовность
представляет целый подкласс свойств. Педагогически пригодный текст может оказаться неготовым, требующим доработки, изменения либо самого текста, либо сопровождающих его материалов, пояснений, вводных и заключительных замечаний и т.п.

Этим конечно не исчерпывается список свойств информации, а были перечислены только самые важные с точки зрения педагогики[32] [29].

1.2 Учебные компьютерные программы
1.2.1Достоинства и недостатки учебных компьютерных программ

Компьютерные технологии позволяют индивидуализировать учебный процесс, они позволяют увеличить скорость и качество усвоения материала, позволяют совершенствовать знания и умения в процессе обучения, в целом – повышают качество образования[18].

В настоящее время количество выпускаемых на рынок учебных программ настолько велико, что компьютерное обучение считать новой образовательной отраслью, и школа обязана считаться с этим. Компьютер становится совершенно естественным средством познания окружающего мира, как для предыдущих поколений была книга.

Компьютер можно использовать с большой пользой, а можно и во вред. Какое же место может занять компьютерная программа в обучении ребенка?

Во - первых, самая естественная форма работы учителя – урок, и вряд ли в ближайшем будущем она изменится. Значит нужно научится вести уроки с компьютерной поддержкой. Во – вторых, применение компьютера в обучении не ограничивается уроками. Большую роль здесь играет самостоятельная работа с обучающей программой[26].

И наконец, в – третьих, взаимодействие учителя с учащимися через компьютерные сети – дистанционное обучение - очень важно, ведь для ребенка–инвалида – это чуть ли не единственная возможность получить полноценное образование.

Выделим достоинства работы с учебными программами:

· сокращается время выработки необходимых технических навыков учащихся;

· естественным образом достигается оптимизация темпа работы ученика;

· увеличивается количество тренировочных заданий;

· учащийся становится субъектом обучения, ибо программа требует о него активного управления;

· появляется возможность моделировать такие процессы, как движение объектов, с помощью компьютерной анимации создавать на уроке игровую познавательную ситуацию;

· легко достигается уровневая дифференциация обучения;

· урок можно обеспечить материалами из удаленных источников, пользуясь средствами телекоммуникации;

· диалог с программой приобретает характер учебной игры, и у большинства детей повышается мотивация учебной деятельности.

Однако учебные компьютерные программы имеют и недостатки:

· диалог с программой лишен эмоциональности и,как правило, однообразен;

· не обеспечивается развитие речевой, графической и письменной культуры учащихся;

· помимо ошибок в изучении учебного предмета, которые ученик делает и на традиционных уроках, появляются еще и технологические ошибки – ошибки работы с программой;

· как правило, материал подается в условной форме, сильно сжатой и однообразной;

· контроль знаний ограничен несколькими формами – тестами или программированными опросами;

· от учителя требуются специальные знания;

· среди имеющегося программного обеспечения много некачественного, не учитывающего специфику работы со школьниками, имеющего много фактических или методических ошибок.

Как видим недостатков у компьютерного обучения не меньше, чем достоинств, поэтому важно выработать критерии полезности применения компьютеров на уроке для каждой возрастной группы, нужно определить критерии оценки учебных программных средств, готовить учителей и методистов учебных предметов к проведению качественных уроков с компьютерной поддержкой[6].

1.2.2 Классификация и требования к учебным компьютерным программам

Создание компьютерной программы учебного назначения или ППС – задача многофункциональная и не формализуемая.

Что же такое ППС?

ППС - педагогические программные средства, нужные не только и не сколько для технической поддержки учебного процесса, но несущие в себе педагогическую функцию как таковую, выступающие как носители чистого знания [24]. Выделим некоторые общие критерии качества и требования к рассматриваемому типу программных продуктов.

Компьютерный учебник (КУ)
– это программно – методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. КУ сочетает в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и лабораторного практикума. При этом КУ имеет следующие преимущества по сравнению с указанными видами учебных пособий:

· обеспечивает оптимальную для каждого конкретного пользователя последовательность, состоящую в чередовании изучения теории, разбора примеров, методов решения типовых задач, проведении самостоятельных исследований;

· обеспечивает возможность самоконтроля качества приобретенных знаний и навыков;

· прививает навыки исследовательской деятельности;

· экономит время учащегося, необходимое для изучения курса

Требования к КУ:

· КУ должен позволять изучить курс, пользуясь только книгой и входящим в КУ программным обеспечением;

· КУ должен предоставлять учащемуся оптимальное сочетание различных способов изучения курса;

· Каждый элемент программного обеспечения КУ должен удовлетворять всем требованиям, предъявленным к программам соответствующего типа[15];

Лабораторный практикум (ЛП).
Программы этого типа служат для проведения наблюдений над объектами, их взаимосвязями или некоторыми их свойствами, для обработки результатов наблюдений, для их численного и графического представления.

Требования к ЛП:

· Должны быть четко определены цели эксперимента, описаны средства и методики проведения эксперимента, методы обработки и анализа экспериментальных данных;

· В документации необходимо привести образец формы отчета и примеры, в полном объеме реализующие методические требования.

Тренажеры
служат для отработки и закрепления технических навыков решения задач. Они обеспечивают получение информации по теории и приемам решения задач, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль. Как правило, включают режимы: теория, демонстрация примеров, работа с репетитором, самостоятельная работа, самоконтроль.

Требования к тренажерам:

· Должны быть четко определены виды навыков, для освоения которых предназначен тренажер;

· Необходимые теоретические сведения должны быть сформулированы максимально кратко;

· Доступ к теоретическим сведениям должен быть обеспечен из любого режима, кроме контрольного;

· В режиме репетитора желательно предусмотреть все возможные пути решения;

· Темп продвижения должен определяться самим учащимся;

· Должны быть предотвращены утомление и утрата интереса;

· Порядок и форма записи решения задачи на экране должны быть максимально приближены к общепринятым;

· При самостоятельной работе должна быть предусмотрена отмена учащимися ошибочных действий[9];

Контролирующие программы (КП) –
это программные средства, предназначенные для проверки качества знаний.

Требования к КП:

· КП должны предоставлять возможность ввода ответа в форме, максимально приближенной к общепринятой;

· КП должен обеспечить адекватный анализ ответа, отличающий опечатку от ошибки и распознающий правильный ответ в любой из эквивалентных форм его представления;

· КП не должны предлагать учащемуся выбрать ответ из списка, содержащего заведомо неверные утверждения;

· Должны быть обеспечены фиксация результатов контроля, их сбор, распечатка и статистический анализ[9].

Предметно- ориентированные среды (микромиры, моделирующие программы, учебные пакеты)

Предметно – ориентированная среда (ПОС)– это учебный пакет программ, позволяющий оперировать с объектами определенного класса. Среда реализует отношения между объектами, операции над объектами и отношениями, соответствующие их определению, а также обеспечивает наглядное представление объектов и свойств
.

Учащиеся оперируют объектами, руководствуясь методическими указаниями, либо производят исследование, цели и задачи которого поставлены учащимися самостоятельно.

Требования К ПОС:

· Программа должна иметь справочный режим, содержащий определение всех используемых объектов и отношений;

· Программа должна иметь справочный режим, описывающий правила работы;

· При моделировании объектов и отношений должны сохраняться общепринятые обозначения и терминология[9].

1.2.3 Рекомендации по структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы

«Большинство компьютерных программ и интерфейсов, - пишут Элиот и Брзезинский, - мало учитывают человеческие способности и интересы, оставляя большие области человеко – машинного взаимодействия неисследованными».

«Содержание даже очень хорошего курса может оказаться неусвоенным, - конкретизирует предыдущую мысль Верней, - потому что, обучающийся большую часть времени вынужден разбираться с неудобной программой» [36].

Поэтому необходимо очень тщательно разрабатывать интерфейс, схему взаимодействия обучающегося и программы.

Можно выделить следующие требования к структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы:

· Сжатость и краткость изложения, максимальная информативность текста;

· Отсутствие нагроможденности, четкий порядок во всем; тщательная сгруппированность информации; объединение отдельных информационных элементов в целостно воспринимащиеся группы (принцип структурности);

· Вся наиболее важная информация должна помещаться в левом верхнем углу экрана и быть доступной без скроллирования;

· Использование табличного формата предъявления информации. Таблицы позволяют предоставить материал в компактной форме и наглядно показывают связи между различными понятиями[35];

· Графика должна органично дополнять текст. Динамика взаимоотношения визуальных и вербальных элементов и их количество определяется функциональной направленностью учебного материала;

· Во многих случаях наиболее эффективным является использование мнемонических моделей; при представлении знаний в виде моделей необходимо помнить, что пространственные знания, полученные через модели, приводят к тому, что обучаемые занимают позиции персонажей, находящихся внутри ситуации;

· При проектировании характера и последовательности предъявления материала должен соблюдаться принцип стадийности;

· При предъявлении материала должны быть соблюдены принципы совместности: пояснения к графическим иллюстрациям должны быть расположены как можно ближе к ним, текст и соответствующее ему изображение должны предъявляться одновременно, это создает целостность восприятия;

· Иллюстрации, предъявляющие сложные модели и устройства, должны быть снабжены системой мгновенной подсказки;

· Инструкции по выполнению заданий необходимо тщательно продумывать на предмет ясности, четкости, лаконичности;

· Производительность обучения значительно повышается, если одновременно задействованы зрительный и слуховой каналы восприятия информации;

· В программу обязательно должны быть включены необходимые пользователю функции поиска;

· Электронная учебная единица должна иметь ключевой экран, на котором должна быть графически представлена схема, отображающая основные этапы обучения. Обучаемый должен иметь возможность распознавать стадию собственного обучения;

· Следует всегда использовать пояснение к картинкам, которые бы могли избавить пользователя от ненужного ожидания в случае, если страничка не содержит необходимого материала;

· Необходимо помнить, что обучаемые отдают предпочтение более структурированным методам обучения, при которых они могут последовательно проходить по всему учебному материалу или осуществлять поиск в иерархической системе меню[14].

Необходимо помнить, что с помощью компьютера можно получить не просто статистические выкладки, а наглядные динамические модели. Обеспечить возможность более ясного, наглядного и всестороннего видения мира, поэтому данное преимущество компьютеров нужно использовать как можно шире[36].

Можно сделать вывод, что все приведенные педагогические программные средства имеют множество преимуществ в сравнении с традиционными средствами, однако и много разного рода ограничений при создании их создании, однако использование системного подхода при проектировании и построении учебных компьютерных программ позволяет повысить производительность учебного процесса, избежать временных потерь, создать комфортную обстановку для работы, кроме того это позволяет наиболее полно свой творческий потенциал.

1.3Дидактические особенности интерактивных компьютерных моделей
1.3.1 Состав и структура учебных компьютерных моделей

Понятно, что особенности дистанционной формы обучения наиболее значимо сказываются в области обучения естественнонаучным дисциплинам. Это проявляется в том, что в этих дисциплинах традиционно предусматривается лабораторный практикум, но в условиях дистанционного обучения нет доступа к лабораториям учебных заведений. Следовательно, решать педагогические задачи (развитие интеллектуального, творческого потенциал, аналитического мышления и самостоятельности) посредством экспериментальных работ становится затруднительно. Таким образом, возникает необходимость использования средств обучения, которые позволяют без потерь качества обучения перейти от традиционного обучения к дистанционному. Такими средствами могут выступать компьютерные модели[4].

Компьютерное моделирование способствует развитию у школьника формально – логической и операционной формы мышления и позволяет творчески переосмыслить современные методы научного познания[28].

Так что же такое «компьютерная модель
»? Слово «модель
» имеет франко – итальянские корни и переводится на русский как «образец
» [8].

Одно из наиболее полных определений «модели» дал В. А. Штоф: «Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте» [23].

Интересное определение понятия «компьютерная модель» предложено Т.В. Миньковичем и определено им как модель, реализованная с помощью компьютера, которая представляет совокупность данных и программ для их обработки[21].

В.В. Лаптев и А.А. Немцев предложили для компьютерных моделей, используемых в обучении, употреблять термин «учебные компьютерные модели». Они выделили специфику учебных компьютерных моделей, заключающуюся в необходимости применения средств наглядного отображения информации при их реализации. Поэтому с учетом современного уровня развития аппаратно – программных средств компьютерного моделирования, под учебной компьютерной моделью можно понимать аппаратно – программную учебную среду, моделирующую изучаемый процесс или объект, предоставляющую средства наглядного отображения информации и, при необходимости, позволяющую осуществлять интерактивное управление моделью[21].

М. И. Хоютанова считает, что компьютерная модель – это созданный за счет ресурсов компьютера виртуальный образ, качественно и количественно отражающий свойства и внутренние связи моделируемого объекта, а в лучшем случае передающий и его внешние характеристики[31].

Таким образом, моделирование – это изучение некоторого явления с помощью моделей, т.е., заменителей, аналогов.

По мнению Э. Е. Нифантьева, А.К. Ахлебинина и В.Н. Лихачева, под учебной компьютерной моделью следует понимать программный модуль, моделирующий изучаемый объект или явление и объединяющий в себе средства отображения и представления информации. Такое определение учебных компьютерных моделей позволяет рассматривать их как индивидуальные объекты, входящие в состав педагогических программных средств различного назначения, а включение их в состав программного какого – либо продукта – как вариант дидактического использования модели в процессе обучения[23].

Важно отметить, что учебная компьютерная модель в составе программного продукта обычно существует не сама по себе, а дополняются различной информацией. Такое объединение УКМ и дополнительной информации можно назвать информационно – моделирующим модулем
. Под моделирующей программой можно понимать самостоятельный программный продукт, предназначенный для изучения объектов и явлений, в котором для этого интенсивно используются информационно – моделирующие модули соответствующих объектов и явлений.

В.Н. Лихачев отмечает, что информационно – моделирующим модулем предложено называть совокупность учебных компьютерных моделей и информационных блоков различного типа, объединенных на основе содержательного критерия. Информационными блоками, входящими в состав информационно – моделирующего модуля (ИММ), может быть описание моделируемого явления или объекта, представленное в текстовом, звуковом или схематическом виде; инструкции по организации работы с ИММ; задания для работы с ИММ; справочная информация; видеозапись моделируемого объекта; информация об отличие модели от моделируемого объекта, но центральным элементом ИММ является учебная компьютерная модель
[21].

Структуру информационно – моделирующего модуля можно представить в виде схемы:

Большое значение для эффективного восприятия информации имеет расположение элементов, входящих в состав информационно – моделирующего модуля, на экране. Наиболее рациональное использование визуального пространства достигается при отображении элементов ИММ в трех окнах, содержащих учебную компьютерную модель
; текстовую информацию (описание модели); краткую информацию о моделируемом объекте или явлении. А если в состав ИММ входит несколько моделей, то у учащегося должна быть возможность выбора текущей. Содержание текстовой информации может быть различным в зависимости от действий, выполняемых учащимися. По мнению В. Н. Лихачева расположение элементов ИММ на экране должно быть основано на теории зрительного восприятия:

УКМ в составе ИММ в зависимости от содержания и структуры ИММ может находить различное методическое применение, поэтому функционирование УКМ в составе ИММ является вариантом ее дидактического использования в процессе обучения. Это позволяет рассматривать с единых дидактических позиций использование в процессе обучения различных типов УКМ[21].

Перспективность использования компьютерных моделей отмечается в работе научно – методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам», в котором были обозначены направления, связанные с необходимостью разработки компьютерных моделей для обучения, такие, как:

-применение виртуальных лабораторных практикумов по различным дисциплинам и курсам в области точных наук;

-формирование у школьников и студентов системного естественнонаучного мировоззрения на основе создания опорных образовательных образов в этой области;

-изучение природы микро- и макромиров, окружающих человечество, что с помощью физического лабораторного оборудования современной школы и вуза практически невозможно;

-более глубокий анализ физических, химических, биологических и других процессов и явлений за счет имитации и учета существенно большего количества параметров и факторов по сравнению с возможностями физического лабораторного оборудования[28] [19].

Для организации компьютерного лабораторного практикума необходимо использовать компьютерные модели,предусматривающие активное взаимодействие с учащимися и разработанные для использования в сети и не зависящие от операционной платформы.

В ходе разработки интерактивных компьютерных моделей(ИКМ) педагог должен найти разумное дидактически обоснованное соответствие между логикой работы вычислительной машины и логикой развертывания живой человеческой деятельности учения. Важно предусмотреть специальные меры по стимулированию учебной деятельности, поддержанию положительной мотивации к учению, созданию благоприятного режима работы. Необходимо вовлечь обучаемых в самостоятельную деятельность учения, имитируя практику, усиливая возможности анализа и синтеза изучаемых явлений и процессов[19].

1.3.2 Различия между натурным экспериментом и экспериментом с ИКМ

Натурные эксперименты в обучении применяются для достижения различных целей, в соответствии с которыми можно дать их классификацию:

1) эксперимент – наблюдение. Предназначен для наблюдения учащимися явления, сбора качественных и количественных характеристик, поиска взаимосвязей, описания явлений[19];

2) исследовательский эксперимент. Предназначен для проверки выводов, сделанных на основе наблюдений;

3) прикладной эксперимент. Предназначен для применения концепции, проверенной в ходе исследования, чаще всего предусматривает разработку и использование лабораторной установки.

Работа с ИКМ не может быть однозначно вписана в данную классификацию. По своей сути ИКМ не является полноценной заменой реальных объектов и явлений, поскольку она является формализованным описанием, которое, в свою очередь формируется на основе эксперимента. Данная особенность ставит под сомнение возможность использования ИКМ для формирования эмпирического мышления и требует рассмотрения целей применения ИКМ в обучении[28].

1.3.3 Развитие теоретического мышления с помощью ИКМ

Традиционно эксперимент в лабораторном практикуме формирует эмпирическое мышление. Учащиеся исследуют явление, выявляют в нем структурные элементы, классифицируют их, описывают связи, но все это разделено в сознании.

Однако работа с ИКМ позволяет развивать мышление теоретического типа, поскольку ее можно изготовить таким образом, чтобы она сочетала в себе внешние особенности изучаемого объекта и его внутреннюю структуру и связи, причем во взаимодействии. Тем самым форма знаний об объектах оказывается носителем содержания знаний.

Поэтому при разработке ИКМ необходимо учитывать следующие положения:

1) Работа с ИКМ должна предусматривать построение знания, а не его усвоение. ИКМ не иллюстрация теоретического материала, а орудие его формирования.

2) ИКМ должна сочетать наглядность, описание и понятие, логику. То есть она должна быть не внешним отображением изучаемого явления, а его образным представлением. Причем она должна быть простроена таким образом, чтобы учащиеся овладевали знаниями о взаимосвязи явлений, составляющих целостную систему; давать знание о внутренних, существенных зависимостях, которые непосредственно наблюдать невозможно. Добиться этого можно отображением невидимых (векторов сил, скоростей, поля, энергия и.т.п) и скрытых (внутренние части механизмов например) элементов во взаимосвязи.

3) Работа с ИКМ должна предусматривать активную работу учащихся, поскольку она в обучении позволяет быстрее и успешнее осваивать опыт, формирующий отношение к исследуемой деятельности.

4) В работе с ИКМ предусматривается работа над развитием базовых мыслительных операций: обобщения, ограничения, определения, и сравнения понятий, логических отношений между ними, выделения существенных признаков предметов[19].

1.3.4 Реализация структурных элементов урока при использовании компьютерных моделей

Включение компьютера в учебный процесс не только не сняло имеющиеся противоречия (например, между педагогическим руководством и активной деятельностью учащихся, их индивидуальной и коллективной работой, обучением и самообразованием, контролем и самоконтролем), но и высветило их особенно ярко[18].

С одной стороны, компьютер является средством повышения эффективности процесса обучения в школе. Он дает возможность учащимся самостоятельно извлекать знания, работая в интерактивном режиме
, способствует развитию интеллекта школьника, расширяет предъявление учебной информации, позволяет изменить качество контроля за деятельностью учащихся.

С другой стороны, использование компьютера без учета особенностей дидактических процессов, несоблюдение режима работы учащихся оказывает негативное влияние на учебно-воспитательный процесс[27].

Современная дидактика знает множество подходов к организации обучения. И число их постоянно множится. Работа со знанием как таковым в эпоху плюрализма знаний, умение работы с информацией и поиск новых образовательных технологий, множественность подходов к одним и тем же объектам ставят вопрос о легитимности знаний[29].

Недопустимой является фронтальная работа с учащихся, сидящими за компьютерами, на протяжении всего урока. Это не способствует развитию индивидуальных способностей школьников, так как происходит ориентация на «среднего» ученика.

Одновременная работа учащихся под руководством учителя целесообразна только в течении короткого промежутка времени с целью адаптации к обучающей программе, снятия психологического барьера, проверки понимания изучаемого материала и первичного его закрепления[4].

Одним из способов подготовки учащихся к осознанной и рациональной работе является использование учителем демонстрационного компьютера и использование программ учебного назначения, содержащих в своем составе компьютерные модели. Это позволяет свести работу учащихся за компьютерами к разумному минимуму, эффективно провести объяснение нового материала, сформировать верные представления об изучаемом объекте.

Рассмотрим подробно взаимодействие структурных элементов урока, на котором могут быть использованы программы учебного назначения, содержащие в своем составе компьютерные модели. В реальном педагогическом процессе структурные элементы урока выступают как этапы процесса обучения.

Визуальная адаптация к обучающей программе

Задачи этапа:

· Подготовить учащихся к усвоению нового материала;

· Придать формированию учебной деятельности учащихся целенаправленный характер;

· Организовать познавательную деятельность учащихся;

· Научить детей понимать интерфейс программы.

Содержание этапа.

Сообщение названия обучающей программы. Формирование у школьников эмоционального отношения к программе. Постановка познавательной задачи.

Объяснение алгоритма работы

Задачи этапа:

· Дать учащимся конкретное представление об изучаемой программе;

· Добиться усвоения учащимися способов и средств достижения результата;

· Сформировать нравственное отношение учащихся к данной программе.

Содержание этапа.

Организация внимания учащихся, процесса восприятия, осознания, осмысления и демонстрация учителем системы команд и последовательности их выполнения для достижения результата. Указание на местонахождение программы и способа завершения работы с ней. Уяснение вначале того, что надо сделать, а затем уже как сделать.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Актуализация чувственного опыта и опорных знаний учащихся;

· Успешная адаптация учащихся к программе;

· Широкое использование различных способов активации мыслительной деятельности учащихся;

· Включение в работу всех учащихся.

Показатели выполнения задач этапа:

· Качество ответов учащихся на последующих этапах урока;

· Пополнение терминологического запаса;

· Активная и рациональная самостоятельная работа учащихся с программой.

Закрепление алгоритма работы

Задачи этапа:

· Закрепить знания учащихся, необходимые для самостоятельной работы с компьютерной программой;

· Добиться глубины понимания материала;

· Провести работу по развитию речи учащихся.

Содержание этапа.

Закрепить знания учащимися способов и средств достижения результата. Учитель, задавая вопросы учащимся, добивается от них правильных и полных ответов, демонстрирует пошаговое выполнение задания и анализирует ошибочные варианты выполнения действий.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Использование вопросов, требующих мыслительной активности учащихся;

· Демонстрация учителем формального выполнения команд;

· Привлечение всего класса к ответу учащегося для дополнения, уточнения и исправления;

· Определение глубины и пробелов в понимании материала.

Показатели выполнения задач этапа:

· Демонстрация учащимися прочных и осознанных знаний;

· Умение узнавать и соотносить конкретные действия с правилами и идеями;

· Умение четко формулировать свои мысли;

· Умение выделять основные этапы выполнения задания.

Разъяснение задач для самостоятельной работы

Задачи этапа:
Организовать и сделать целесообразной самостоятельную познавательную деятельность учащихся за компьютерами.

Содержание этапа.

Формулировка и комментирование задания для самостоятельной работы учащихся, постановка перед ними проблемы. Мотивирование учащихся на быструю и качественную работу. Сообщение критериев, по которым будет оцениваться самостоятельная работа учащихся. Указание на дополнительные возможности работы с данной программой.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Систематическое проведение инструктажа по выполнению самостоятельных заданий;

· Обеспечение внимания всего класса;

· Задания для самостоятельной работы должно быть понятно каждому;

Показатели выполнения задач этапа:

· Активность и самостоятельность учащихся при выполнении работы с программой;

· Рациональная организация учащимися своей познавательной деятельности.

Прежде чем перейти к самостоятельной работе учащихся с программой, целесообразно организовать их синхронную работу.

Синхронная работа учащихся на компьютере

Задачи этапа:

· Закрепить знания учащихся;

· Проверить усвоение операционных операциональных умений;

· Подготовить учащихся к самостоятельной работе на компьютере.

Содержание этапа.

Закрепить знания учащимися способов и средств достижения результата. Выполнение серии заданий. Контроль и корректировка выполнение действий различными способами.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Использование серии однотипных заданий, выполнение которых непродолжительно во времени и направлено на выявление особо значимых знаний и умений для последующей самостоятельной деятельности учащихся;

· Рациональное местонахождение учителя для того, чтобы одновременно видеть и контролировать действия всех учеников;

· Обеспечение синхронности действий учащихся;

Показатели выполнения задач этапа:

· Достаточно высокий темп работы учащихся на компьютерах;

· Выполнение каждым учащимся хотя бы одного из последовательно предложенных однотипных заданий;

· Активная работа всех учащихся класса[20].

В.Н. Лихачев отмечает, что создание интерактивных компьютерных моделей – процесс очень сложный и трудоемкий, т.к., необходимо соблюдать ряд правил и делать опору на определенные принципы. Он также отмечает, что качество созданных на сегодняшний день моделирующих программ невысокое, в связи со слабо изученной структурой и плохо разработанной методической базой.

Выделенные нами элементы урока, на котором используются программы учебного назначения, содержащие в своем составе компьютерные модели, могут иметь различную длительность, разнообразное сочетание и взаимодействие между собой. Не следует ограничиваться только одной последовательностью структурных элементов на уроке. Постоянная схема урока сдерживает творчество учителя. Поэтому необходимо уходить от шаблонности в проведении уроков. Например, урок можно начать с самостоятельной работы на компьютерах, которая будет направлена на разрешение проблемной ситуации, а затем уже проводить фронтальную работу с использованием демонстрационного компьютера.

1.4 Компьютерные модели в обучении химии
1.4.1 Химические модели

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование. Одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е., моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Так в химии модели условно можно разделить на две группы: материальные и знаковые
[4].

Модели химических и промышленных аппаратов

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Наиболее распространенным изображением атома является модель, напоминающая строение Солнечной системы.

Для моделирования молекул веществ часто используют шаростержневые
модели. Модели этого типа собирают из цветных шариков, обозначающих входящие в состав молекулы атомы. Шарики содиняют стержнями, символизирующие химические связи. С помощью шаростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в молекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, поскольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны длинам связей.

Модели Дрединга
достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.

Полусферические модели,
называемые также моделями Стюарта – Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кнопок. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и заполненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном расположении ядер[25].

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии.

Однако чаще химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями –
это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается справа от знака химического элемента.

Химическая формула – основная знаковая модель в химии. Она показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества; качественный состав вещества, т.е., атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е., сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества[4].

Все вышеприведенные модели широко используются при создании интерактивных компьютерных моделей
.

1.4.2 Классификация компьютерных моделей

Среди различных типов педагогических программных средств особо выделяют те, в которых используются компьютерные модели. Применение компьютерных моделей позволяет не только повысить наглядность процесса обучения и интенсифицировать его, но и кардинально изменить этот процесс. В последние годы совершенствование компьютеров проходит бурными темпами, и их возможности для моделирования стали практически безграничными, поэтому значение компьютерных моделей при изучении школьных дисциплин может существенно возрасти. Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин, В.Н. Лихачев отмечают, что основное преимущество компьютерных моделей – возможность моделирования практически любых процессов и явлений, интерактивного взаимодействия пользователя с моделью, а также осуществления проблемного, исследовательского подходов в процессе обучения
[23].

В. Н. Лихачев предлагает классифицировать учебные компьютерные модели по ряду критериев, основными среди которых являются наличие анимации при отображении модели, способ управления, способ визуального отображения модели. По наличию анимации УКМ могут быть динамическими и статическими. Динамические содержат анимационные фрагменты для отображения моделируемых объектов и процессов, в статических они отсутствуют. По способу управления УКМ могут быть управляемые, которые позволяют изменять параметры модели, и неуправляемые, которые такой возможности не предоставляют.

Среди демонстрационных (неуправляемых) моделей можно выделить еще две группы по возможности взаимодействия с пользователем: интерактивные и неинтерактивные. Интерактивные позволяют изменять вид отображения модели или точку наблюдения на модель, не изменяя при этом ее параметров. Неинтерактивные таких возможностей не предоставляют[21].

Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин и В.Н. Лихачев считают наиболее полезной с методической точки зрения классификацию по моделирующему объекту.
По уровню представляемых объектов модели, используемые в преподавании химии, можно разделить на две группы: модели макромира
, которые отражают внешние свойства моделируемых объектов и их изменениеи модели микромира
, которые отражают строение объектов и происходящие в них изменения на уровне их атомно-молекулярного представления. А модели таких объектов, как химические вещества, химические реакции и физико – химические процессы, могут быть созданы как на уровне микромира, так и на уровне макромира[23].

Классификацию УКМ можно представить в виде схемы для большей наглядности.

1.4.3 Компьютерные модели микромира

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.4.4 Структура и содержание компьютерных моделей в ЭИ

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

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

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

Тщательная сгруппированность
и структурирование
информации предопределяют четкое и быстрое усвоение.

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

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

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

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

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

Функции поиска

Электронное издание	Типы мод- елей	Формат	Слуховой канал (озвучка)	Сгруп пиров-анность	Техни-ческая помощь	Функ-ция поиска	раз-мер	Визуа- лизации	Полно- экран-ный режим
Химия для всех – XXI. Самоучитель. Решение задач	Не- инте- ракти вные	Табличный	есть	есть	нет	есть	нет	нет	есть
1С: Школа. Химия, 8 класс	Инте- ракти вные	Табличный	нет	есть	нет	есть	есть	есть	нет
Химия для всех – XXI: 9 класс.	инте- ракти вные	Табличный	нет	есть	нет	есть	есть	есть	нет
1с Репетитор. Химия(1.0а)	Не- инте- ракти вные	Табличный	есть	есть	нет	нет	нет	нет	нет
Химия 8-11 класс. Виртуальная лаборатория.	Инте- ракти вные	Табличный	нет	нет	есть	нет	есть	есть	есть

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

· Между потребностью практического применения химических компьютерных моделей и недостаточно разработанной методикой

их использования в составе различных типов программных средств обучения;

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

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

Глава 2 Структура и компоненты интерактивного задания с использованием компьютерных моделей для изучения темы «Химическая связь и метод ВС»
2.1 Формулировка интерактивного задания

Интерактивной компьютерная модель должна содержать только самые важные признаки и свойства изучаемого объекта, причем содержание это должно быть оптимальным. При создании интерактивных компьютерных моделей обычно ставится задача затронуть основное, главное, что учащиеся должны знать и уметь в результате обучения. Работа с ИКМ позволяет развивать мышление теоретического типа, поскольку ее можно изготовить таким образом, чтобы она сочетала в себе внешние особенности изучаемого объекта и его внутреннюю структуру и связи, причем во взаимодействии. Тем самым форма знаний об объектах оказывается носителем содержания знаний.

Принципы построения интерактивных компьютерных моделей.

5) Работа с ИКМ должна предусматривать построение знания, а не его усвоение. ИКМ не иллюстрация теоретического материала, а орудие его формирования.

6) ИКМ должна сочетать наглядность, описание и понятие, логику. То есть она должна быть не внешним отображением изучаемого явления, а его образным представлением. Причем она должна быть простроена таким образом, чтобы учащиеся овладевали знаниями о взаимосвязи явлений, составляющих целостную систему; давать знание о внутренних, существенных зависимостях, которые непосредственно наблюдать невозможно. Добиться этого можно отображением невидимых (векторов сил, скоростей, поля, энергия и.т.п) и скрытых (внутренние части механизмов например) элементов во взаимосвязи.

7) Работа с ИКМ должна предусматривать активную работу учащихся, поскольку она в обучении позволяет быстрее и успешнее осваивать опыт, формирующий отношение к исследуемой деятельности.

8) В работе с ИКМ предусматривается работа над развитием базовых мыслительных операций: обобщения, ограничения, определения, и сравнения понятий, логических отношений между ними, выделения существенных признаков предметов[19].

9) При моделировании объектов и явлений должны сохраняться общепринятые обозначения и терминология;

10) Программа должна иметь справочный режим, содержащий определение всех определение всех используемых объектов и отношений;

11) Программа должна иметь справочный режим, описывающий правила работы;

12) Должны быть выдержаны стандартные требования к интерфейсу[9].

Принципы отбора содержания интерактивных компьютерных моделей

1) Значимость материала
: необходимые теоретические сведения должны быть сформулированы максимально кратко, количество информации не должно превышать норм, определяемых психолого-педагогическими и гигиеническими требованиями;

2)
Научная достоверность
: В ИКМ включается только то содержание учебной дисциплины, которое признано объективно истинным;

3) Гуманистичность обучения
: создание максимально благоприятных условий для овладения обучаемыми материала, предоставление им широких возможностей для всестороннего развития[29];

4) Сжатость и краткость изложения,
максимальная информативность текста;

5) Отсутствие нагроможденности,
четкий порядок во всем; тщательная сгруппированность информации;

6) Органичность
: графика должна органично дополнять текст;

7) Принцип стадийности
: детальная и интегральная информация может разделяться в пространстве и времени;

8) Четкость, ясность, лаконичность
в разработке инструкций по выполнению заданий[14];

9) Соответствие содержания ИКМ уровню современного состояния науки
: предполагает, что ИКМ должны быть адекватны современным образовательным моделям. Высокая информационная емкость не должна идти в ущерб восприятию и усвоению учебной информации.

10) Принцип неантагоничности
: создаваемые ИКМ важно широко внедрять в образовательный процесс, этим может быть достигнут необходимый педагогический эффект;[29]

Для организации процесса обучения необходимо использовать компьютерные модели, предусматривающие активное взаимодействие с учащимися.

Основной целью применения учебных компьютерных моделей является наглядное представление существенных свойств изучаемых процессов и явлений. Поэтому для организации структуры и определения функциональных возможностей учебных компьютерных моделей можно применить идеи об использовании наглядности в обучении. Применение учебных компьютерных моделей предоставляет учителю широкие возможности варьирования методов применения учебных компьютерных моделей в процессе обучения в зависимости от целей и задач урока, степени подготовленности учащихся, наличия учебного времени. Реализация возможности функционирования управляемых УКМ в демонстрационном режиме позволяет их использовать не только при индивидуальной работе учащихся, но и при фронтальной.

По большому счету созданное нами интерактивное задание можно считать информационно – моделирующим модулем
(ИММ). Большое значение для восприятия информации имеет расположение элементов, входящих в состав ИММ. В.Н. Лихачев отмечает, что наиболее рациональное использование визуального пространства достигается при отображении элементов ИММ в трех окнах [21]. Поэтому, разрабатывая интерактивное задание, мы основывались на этом положении (РИС 1, приложение):

В первом окне содержатся элементы, которые помогают пользователю приступить к выполнению данного интерактивного задания и элементы, необходимые для решения этого задания:

Теория.
Понятно, что прежде чем начать выполнение данного задания нужно изучить теоретический материал. Здесь учащийся может продолжить изучение темы «Ковалентная связь», т.е., рассмотреть свойства ковалентной связи, механизмы образования ковалентной связи, более подробно ознакомиться с методом Валентных Систем и др. В программе используется гипертекст и моделирование процессов образования связи.

Сложность
. Как и в большинстве такого рода программ сложность предоставляемых задач различна. В этой программе содержатся задания как для учащихся с базовым уровнем знаний, так и для учащихся более высокого уровня. Задания расположены строго по лестнице возрастания сложности. Приступить к решению задач уровня «сложно» можно в том случае, если учащийся решит задания уровней «средне» и «легко». Уровни «средне» и «легко» выбираются непосредственно, поэтому у учащегося есть выбор с какого из этих уровней начать.

Молекулы.
В зависимости от уровня сложности учащемуся предоставляется выбор молекул веществ, которые он будет моделировать. На уровне «легко» ему предстоит смоделировать строение молекул водорода, фтора, хлороводорода. На уровне «средне» молекулы хлорида бериллия, фторида бора, метилхлорида.

На уровне «сложно» молекулы азота, этилена, углекислого газа.

Орбитали.
Для моделирования строения молекул приведенных веществ требуется набор орбиталей, из которых учащийся должен будет собирать молекулы. Программа позволяет переносить орбитали, составляя из них модели молекулы.

Во втором окне учащийся из предложенных ему орбиталей будет строить модели атомов. Окно разделено на части, в зависимости от числа атомов, т.е., в случае водорода на две части, а в случае метилхлорида уже на три. Как показано на рисунке выбранные орбитали нужно перенести в эти части второго окна, соответствующие определенным атомам.

В третьем окне из собранных моделей атомов строится молекула, которая выступает как интерактивная компьютерная модель.

В состав заданий с использованием интерактивных компьютерных моделей могут входить разные по степени общности задачи, т.е., конкретные, частные, фундаментальные, предметные и др.

Можно выделить основные требования к учебным задачам:

1.Учебные задачи должны обеспечить усвоение полной системы средств, необходимых и доступных для успешного осуществления всех видов учебной деятельности.

2.Конструироваться должна не одна отдельная задача, а система задач.

3.Система задач должна обеспечивать достижение не только ближайших учебных целей, но и отдаленных.

4.Учебные задачи должны конструироваться так, чтобы соответствующие средства деятельности выступали как прямой продукт обучения.

Наряду с мыслительными задачами следует применять мнемонические (на запоминание), маженативные (на воображение) и перцептивные(на восприятие).

В данном интерактивном компоненте реализованы маженативные и перцептивные задачи.

2.2 Подсказка как способ активации мыслительной деятельности

Подсказка – это своего рода напоминание, которое приведет к решению конкретной задачи, части интерактивного диалога. Ее цель – дать ученику вспоминать о ранее изученном факте, закономерности и.т.д., успешно ответить на поставленный вопрос, решить задачу. Главное отличие подсказки от других видов помощи – направленность на решение конкретной проблемы и краткость.

Подсказки можно классифицировать по разным признакам.

По источнику

:

-Учащийся
(Подсказка учащегося – это выражение определенных мотивов поведения ученика: помочь товарищу, показать свои знания учителю, обратить на себя внимание. Сам факт подсказки свидетельствует об активной работе учащихся на уроке);

-Учитель
(Подсказка учителя – это форма общения учителя с учащимися, помогающая направить внимание и мысли ученика на поиск правильного ответа на поставленный вопрос);

-Литература
(Подсказки часто встречаются в различных учебниках, рабочих тетрадях, справочниках, таблицах. Большинство подсказок в них ориентирующие, направленные на то, чтобы учащийся посмотрел рисунок, таблицу и т. д.);

-Компьютер
(Любая современная компьютерная программа снабжена системой помощи, которая даст возможность работать с ней любому человеку, немного знакомому с компьютером).

По достоверности

:

-Истинная
подсказка (содержит прямую или косвенную информацию о предмете);

-Ложная подсказка
(не содержит правильной информации, относящейся к предмету).

По способу предъявления

:

-Словесная подсказка
(подсказка с использованием речи);

-Письменная подсказка
(подсказка в письменном виде в форме записки или текста на экране компьютера);

-Графическая подсказка
(подсказка в виде рисунков, схем, графиков, таблиц, опорных сигналов, видеофрагментов);

-Жестикулярная подсказка
(подсказка с использованием жестов);

-Комбинированная подсказка
(подсказка с использованием текста, речи и графики).

По характеру

:

-Прямая подсказка
(содержит конкретную информацию);

-Пассивная подсказка
(является конкретным ответом на поставленный вопрос, мыслительная деятельность учащегося в данном случае практически отсутствует);

-Активная подсказка
(несет конкретную информацию о предмете, но требует от учащегося активной мыслительной деятельности);

-Косвенная подсказка
(не включает непосредственной информации об ответе; содержит методические рекомендации о способе нахождения ответа, о фактах, необходимых для решения, об источниках получения необходимой информации):

1.Фактологическая подсказка – содержит информацию о конкретных фактах или определенных свойствах, требующихся для формулирования правильного ответа;

2.Ориентирующая подсказка – сообщает учащемуся, где можно взять недостающую для решения той или иной задачи информацию;

3.Теоретическая подсказка – несет информацию о правилах, теоретических положениях, знание которых необходимо для решения конкретного вопроса;

4.Логическая подсказка – система наводящих вопросов и умозаключений, подводящая учащегося к решению конкретной задачи[2].

В этом интерактивном компоненте подсказки лавным образом истинные, по способу предъявления реализованы в форме текста на экране компьютера, подсказки несут конкретную информацию о предмете, содержат информацию о определенных свойствах, требующихся для формулирования правильного ответа, однако подсказки требуют от учащегося активной мыслительной деятельности.

2.3 Техническая помощь

Не всегда ученик, зная правильный ответ, может ввести его в компьютер. Чтобы таких ситуаций не было, существует техническая помощь. Ей учащийся сможет воспользоваться, работая с данной программой.

Поэтому важно привести наглядный пример, как пользоваться данной программой: для этого разработана анимация со звуковым сопровождением. Кроме того, после просмотра анимации, с правилами работы можно ознакомиться и при помощи текстового сопровождения (описывается то же, что озвучивается в анимации).

Рассматривается построение модели молекулы водорода: «Для успешного решения заданий данной программы ознакомьтесь с теоретическим материалом, нажав для этого клавишу «Теория». Теперь выберите сложность заданий, нажав на клавишу «Сложность». Обратите внимание, что при нажатии на «Сложность» появляется ссылка с выбором уровня, для выбора нужного уровня просто наведите на него курсор и нажмите левую клавишу мыши. Закончив с этим, приступайте к выбору молекул веществ: для этого нажмите на клавишу «Молекулы» и проделайте аналогичные операции, как описывалось выше. Заметьте, что после выбора молекулы вещества, она распадается на атомы в колонке «Атомы», поэтому Вам сначала нужно определить строение атомов, а за тем соответственно молекул. Для этого нажмите клавишу «Орбитали». В колонке «Орбитали» появляется перечень орбиталей, из которых вам предстоит выбрать нужные. Так при решении первого задания, т.е., построение молекулы водорода, Вам нужно перенести по одной 1s1
- орбитали в колонки «Строение атомов» напротив нужного атома. Для этого наведите курсор на нужную орбиталь и нажмите левую кнопку мыши, а затем перенесите ее в колонку «Строение атомов». И теперь чтобы из атомов водорода создать молекулу водорода нужно перенести «созданные» атомы из колонки «Строение атомов» в колонку «строение молекулы» и правильно соединить атомы. Теперь нажмите ответ»
. В анимации отражены правильный ход действий ученика при решении поставленной задачи, т.е., то же, что написано в тексте, но анимировано и показано на экране как видеофрагмент со звуковым сопровождением из текста.

Таким образом, техническая помощь создана для того, чтобы учащийся мог научиться работать с программой.

2.4 Визуализации

Эту функцию имеют практически все интерактивные компьютерные модели. Построив молекулу какого-либо вещества, пользователь сможет изменять вид отображения модели или точку наблюдения на модель, размеры модели, а также использовать для рассмотрения модели шаростержневые, каркасные, объемные модели, а также модели Дрединга.

2.5 Ответ

Ответ
– высказывание, сообщение, вызванное вопросом; результат решения математической задачи. [Ответ // С.И. Ожегов. Словарь русского языка: М.: Рус.яз., 1986. – 797с.]

Ответы могут быть верными, практически верными, неверными и практически неверными. В данной программе реализованы лишь верные и неверные ответы на поставленные вопросы.

Ответы вводятся с помощью нажатия на клавишу «ОТВЕТ», а т.к., в данном интерактивном задании реализована маженативная система задач, то ответы представлены в виде построенных моделей молекул. В случае затруднения при ответе на поставленные вопросы учащийся может воспользоваться теоретическим материалом, подсказкой и др.

При решении задачи учеником, возникает определенная реакция на ответ со стороны компьютера. Если ответ правильный, то на мониторе появляется салют и возникает фраза «МОЛОДЕЦ». Если же ответ неправильный, то звучит взрыв, и построенная модель молекулы распадается, и учащемуся предлагается заново проделать операцию построения.

2.6 Взаимодействие учащихся с интерактивным заданием

Приступив к решению задания, пользователь либо знает, как его решить, либо нет, т.е., в первом случае учащийся верно вводит ответ и приступает к следующему заданию, во-втором, учащийся вводит неверный ответ, он тоже может приступить к решению следующего задания, однако только в режиме «легко» и «средне», в режим «сложно» он может попасть, если правильно прорешает все задания в режимах «легко» и «средне».

Возможно, учащийся, увидев задание в первый раз, затрудняется в его решении. При этом он может воспользоваться технической помощью. Если же учащийся затрудняется ответить на поставленную перед ним задачу, он может воспользоваться справочным материалом, нажав на клавишу «теория».

Глава III Возможности использования интерактивных компьютерных моделей микромира на уроках химии
3.1 Методика использования интерактивной компьютерной модели при изучении темы «Химическая связь и метод ВС»

Компьютер является средством повышения эффективности процесса обучения в школе. Он дает возможность учащимся самостоятельно извлекать знания, работая в интерактивном режиме, способствует развитию интеллекта, расширяет предъявление учебной информации и набор применяемых учебных задач, позволяет изменить качество контроля за деятельностью учащихся.

С другой стороны, использование компьютера без особенностей дидактических процессов, несоблюдение режима работы учащихся за персональным компьютером оказывает негативное влияние на учебно – воспитательный процесс.

Самостоятельную работу учащихся за компьютером следует тщательно планировать, ограничивая ее установленными временными рамками и не допуская напрасной потери времени.

В то же время недопустимой является и фронтальная работа с учащимися, сидящими за компьютерами, на протяжении всего урока. Это не способствует развитию индивидуальных способностей, т.к., происходит ориентация на «среднего» ученика. Одновременная работа учащихся под руководством учителя целесообразна только в течение короткого промежутка времени с целью адаптации к обучающей программе, снятия психологического барьера, проверки понимания изучаемого материала[27].

Одним из способов подготовки учащихся к осознанной и рациональной работе с программными средствами учебного назначения является использование учителем демонстрационного компьютера. Это позволит свести работу учащихся за компьютерами к разумному минимуму, эффективно провести объяснение нового материала, сформировать верные представления об изучаемом объекте.

При проведении урока с использованием компьютера работа учителя проходит следующие фазы:

· Планирование урока(определяется место урока в системе занятий, время проведения, тип урока и его примерная структура);

· Подготовка программных средств(подбор моделирующих программ, проверка);

· Проведение урока;

· Подведение итогов.

Элементы урока, на котором используются персональные компьютеры, могут иметь различную длительность, разнообразное сочетание и взаимодействие между собой, которые предопределены логикой процесса обучения и дают возможность большой вариативности творчески работающему учителю. Не следует ограничиваться только одной последовательностью структурных элементов на уроке. Постоянная схема урока сдерживает творчество учителя, снижает эффективность учебно – воспитательного процесса. Поэтому необходимо уходить от шаблонности и рецептурности в проведении уроков. Все должно зависеть от педагогически целесообразной логики построения процесса обучения, от тех целей, которые ставит учитель на каждом уроке [20].

Компьютер может выступать как средство управления учебной деятельностью и выполнять обучающую функцию. Например, учитель при объяснении нового материала может демонстрировать какие – то объекты (химические вещества, химические опыты, модели кристаллических решеток и др.), условие задачи и т.д. [17].

Рассмотрим методику использования разработанной нами интерактивной компьютерной модели при изучении темы»Химическая связь и метод ВС».

В ходе диалога с машиной учащийся контролирует свои теоретические знания, знакомится со строением того или иного вещества, с деталями структуры сложной молекулы, отвечает на вопросы, поставленные в программе.

Данную программу можно использовать на разных этапах урока при изучении темы «Химическая связь». При объяснении нового материала учитель, используя медиа – проектор, может повысить наглядность процесса обучения за счет демонстрации интерактивных компьютерных моделей: При объяснении принципа образования химической связи за счет сил притяжения и отталкивания учитель может показать три интерактивные модели образования химической связи между атомами водорода; показать интерактивные модели электронных облаков, различающихся по форме и размерам, их пространственное расположение, что в условиях доски и мела сделать гораздо сложнее; рассказывая про обменный механизм образования связи, можно привести модель процесса образования ковалентной связи между атомами фтора. В программе заложены и неинтерактивные модели, демонстрирующие образование сигма-, пи-, дельта – связей, использование которых может съэкономить много времени при объяснении материала.

Помимо теоретического материала в программе содержится интерактивное задание, с помощью которого учитель может провести закрепление знаний, полученных на уроке. В основе задания лежит построение моделей молекул предложенных веществ в интерактивном режиме. Учащемуся предъявляется набор виртуальных орбиталей, с помощью которых он будет строить интерактивные модели молекул. Время работы учащегося не ограничено. Если учащийся затрудняется решить поставленную задачу, то он всегда может обратиться к теоретическому материалу.

Если пользователь не знает, как работать с программой, он может воспользоваться технической помощью, где с помощью анимации приведен соответствующий пример.

Кроме того, данное интерактивное задание можно использовать при проверке знаний в режимах «легко» и «средне». Пример такого проверочного задания следующий: «Построить модели молекул фтора, хлороводорода, фторида бора». Время решения проверочных задач следует ограничить.

Работа с данной программой может проводиться и во внеурочное время: на факультативных занятиях, где учащимся могут быть предложены задания повышенного уровня сложности; программу можно использовать для самостоятельного обучения, т.к. всю необходимую информацию ученики могут найти самостоятельно.

Использование компакт – дисков с компьютерными обучающими программами позволяет не только расширить химический кругозор учащихся, но и решить целый ряд задач медиаобразования[17].

3.2 Особенности методики проведения уроков с использованием программ «Химия(8-11 класс). Виртуальная лаборатория» и « Химия для всех XXI: 9 класс»

Использование данных программ в школе может осуществляться на различных этапах:

1.
Подготовка к уроку
: Учитель в соответствии с программой обучения может осуществить быстрый поиск информационного объекта; использовать информационный объект как иллюстративный материал; скомпоновать нужные информационные объекты в требуемой для урока последовательности.

2.
Проведение урока
: Данные программы позволяют обеспечить информационное сопровождение урока, что позволяет использовать объекты наглядности в сочетании с комментарием. Появляется возможность демонстрировать наборы таких объектов в нужной для проведения урока последовательности, организовывать исследовательские виды работ, повышая познавательный интерес учащихся.

3.
Внеурочная работа
: Возможность использования данных программ на факультативных занятиях, организуя поисковую и исследовательскую деятельность учащихся, предлагая решить проблемную ситуацию, что повышает интерес к изучаемому предмету.

Данные программы возможно использовать на разных этапах проведения урока. Для эффективного проведения уроков в классе нужно использовать мультимедийный компьютер и цифровой проектор.

На уроках изучения нового материала возможно использование модели данных компьютерных программ при:

· Создании проблемной ситуации и ее решении

· Проверки выдвинутой гипотезы[1]

· Объяснительно – иллюстративном подходе

· Исследовательско-поисковом подходе

Также возможно использование программ на комбинированных уроках и уроках обобщения и систематизации.

1. Создание проблемной ситуации

Фрагмент урока.

Учитель дает задание построить с помощью программы «Химия(8-11класс). Виртуальная лаборатория» бутен2. После того как учащиеся закончили работу по построению, у них получились две модели бутена2(цис- и транс-изомеры). Учитель спрашивает, какая из этих молекул правильно построена, на основании этого создается проблемная ситуация, которая разрешается классом и учителем совместно.

2. Проверка выдвинутой гипотезы

Фрагмент урока.

Учитель или ученики выдвигают различные гипотезы на предмет большой разницы в температурах плавления белого и красного фосфора. Учитель выдвигает гипотезу – «Как вы думаете, белый фосфор имеет меньшую или большую температуру плавления, нежели красный?» Ученики выдвигают свои варианты, сравнивая вещества. Демонстрация моделей программы «Химия для всех XXI: 9 класс» строения красного и белого фосфора выступает в роли подтверждения или опровержения гипотезы. Демонстрируется структура белого фосфора(молекулярное строение) и демонстрируется кристаллическая решетка красного фосфора(полимерное строение).

3.Объяснительно – иллюстративный подход

Фрагмент урока.

Учитель объясняет новый материал и, одновременно, демонстрирует с помощью проектора зрительные образы для повышения наглядности процесса.

Например, при построении модели молекулы 4метилпентена1 с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 8-11», учитель объясняет, как правильно пользоваться конструктором молекул, демонстрируя при этом построение молекулы с помощью проектора.

Включаем конструктор молекул нажимаем на клавишу «С», а теперь на черный экран в середине конструктора. На экране появляется шар(атом углерода), нажав на который, появляется второй шар(атом углерода), соединенный с первым одинарной связью….»

4.Исследовательско – поисковый подход

Фрагмент урока.

Учитель мотивирует учащихся к самостоятельной исследовательской деятельности.

Например, для решения проблемной ситуации, возникшей при построении бутена2, учащимся предлагается самостоятельно найти ответ на этот вопрос, используя программу «Химия для всех XXI: 9 класс», в которой нужно запустить режим «модели» и рассмотреть строение цис- и транс-бутена.

Формы использования учебных компьютерных моделей можно представить в виде схемы:

3.3 Варианты уроков с применением компьютерных моделей программ «Химия(8-11класс). Виртуальная лаборатория» и «Химия для всех XXI: 9 класс»
3.3.1 Урок: Алканы. Строение, изомерия
Цели урока:

Образовательная – изучить особенности строения алканов, используя компьютерную поддержку, а также рассмотреть особенности изомерии алканов.

Развивающая – продолжить развитие мыслительных процессов и логических операций.

Воспитательная – воспитание усидчивости, научной любознательности, внимательности.

Тип урока: урок изучения нового материала

Оборудование: Мультимедийный компьютер, с использованием видео – проектора.

Ход урока

1.Вводная часть (Ориентировочно – мотивационный этап).

На сегодняшнем уроке мы приступаем к изучению углеводородов и, в частности, алканов. Мы рассмотрим особенности строения этих углеводородов, используя компьютерный конструктор молекул, основные правила номенклатуры и изомерию.

2.Изучение нового материала(Операционно – исполнительный этап).

Откройте тетради и запишите тему урока: Алканы. Строение, изомерия и номенклатура.

Так что же такое алканы?

Алканы –
углеводороды, в молекулах которых атомы связяны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле Cn
H2n+2
.

В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sp3
– гибридизации. Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме и направлены равносторонней треугольной пирамиды – тетраэдра. Углы между орбиталями равны 109,28˚. Рассмотрим это на примере молекулы метана. Для этого построим модель молекулы с помощью виртуального конструктора молекул. (демонстрация построения с помощью видео – проектора).

Учитель демонстрирует построение молекулы, чтобы научить пользоваться конструктором.

Построение модели молекулы метана с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 9-11».

Включаем конструктор молекул, нажимаем на клавишу «С», а теперь на черный экран в середине. На экране появляется шар (атом углерода), а т.к., атом углерода в молекуле метана связан с четырьмя атомами водорода, нажимаем на клавишу «Н», а теперь на атом углерода четыре раза, получаем молекулу метана.

Продолжаем нажимать на углерод.

Вопрос: Почему при дальнейшем нажатии на атом углерода связей с водородом больше не образуется? (углерод не может быть пятивалентным).

Теперь рассмотрим получившуюся модель с помощью функции «Визуализация». Нажимаем на клавишу «визуализация атомных орбиталей».

Вопрос: Итак, какую форму имеет молекула метана? (тетраэдр).

Вы видите из модели, что все орбитали одинаковы, а значит имеют одинаковую? (энергию).

Теперь построим молекулу этана.

Построение модели молекулы этана с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 9-11».

Также строит и показывает учитель.

Молекулу можно построить двумя способами:

Нажимаем на клавишу «С» и теперь на черный экран в середине конструктора. На экране появляется шар (атом углерода), нажимаем на этот шар один раз, появляется второй атом углерода, соединенный с первым одной связью. Теперь расставляем атомы водорода: нажимаем на клавишу «Н» и на каждый из атомов углерода по три раза.

Однако мы знаем, что каждый атом углерода связан с тремя атомами водорода, поэтому, нажав на «Н» и три раза на атом углерода в центре экрана, получаем метильный радикал, к которому присоединяем такой же, нажав на клавишу «С» и на углерод в центре, видим, что к метилу присоединился еще один атом углерода, а затем нажимаем на «Н» и три раза на второй атом углерода, присоединили три атома водорода.

Молекула построена.

Обратите внимание, что этан в отличие от метана содержит два атома углерода, соединенные друг с другом одинарной связью. Воспользуемся функцией визуализации, для этого нажимаем клавишу «визуализация атомных орбиталей». Вы видите, что перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов углерода, т.е., это сигма
– связи.

Вопрос: Внимательно посмотрите на молекулу и скажите связи С-Н короче или длиннее связи С-С? (короче).

Теперь самостоятельно постройте молекулу бутана и сравните полученные молекулы.(класс работает с компьютерами).

Построение модели молекулы бутана с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 9-11» учащимися.

При построении учащиеся отмечают, что получаются молекулы разной формы (у кого-то дугообразной формы, у кого-то зигзагообразной). Возникает спор в достоверности построенного ими. Проблемная ситуация.

Вопрос: Как вы думаете, правильно ли у вас построена молекула. Ответ обоснуйте?

Исследовательско – поисковый подход
: Учитель: для ответа на этот вопрос нажмите на клавишу «Визуализация атомных орбиталей» и прочитайте первый абзац учебника на стр.68. (Вокруг одинарной С-С связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму). Приходим к решению, что молекулы построены правильно.

Теперь рассмотрим особенности изомерии алканов.

Для алканов характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета.

Рассмотрим пентан. Для него характерно два изомера: 2метил бутан.

Вопрос: какой второй изомер?(2,2диметил пропан).

Рассмотрим правила номенклатуры алканов: Пример:224триметил пентан записываем на доске.

1. Сначала определяем главную цепь – самая длинная цепочка атомов углерода в молекуле.(подряд первые пять атомов).

2. Нумеруем главную цепь, нумерацию начинаем с того конца, к которому ближе заместитель. Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил старше, чем пропил и соответственно чем этил.

3. Формирование названия. В начале названия указываем цифры – номера атомов углерода, при которых находятся заместители(224). После номера через дефис указываем количество заместителей(в данном случае –три)
иназвание заместителей(метил). Главная цепь называется как углеводород – член гомологического ряда метана(пентан).

3.Закрепление (рефлексивно – оценочный этап)

Назовите вещество (23диметилбутан – записано на доске) и приведите пример его изомера.

4.Домашнее задание: Пар № 11, упр.2

3.3.2 Урок: Алкены. Строение, изомерия и номенклатура

Алкены. Строение, изомерия и номенклатура.

Цели урока:

1.Образовательная – Рассмотреть основные виды изомерии и номенклатуру алкенов, выявить особенности строения этих углеводородов, используя в работе программы «Химия(8-11 класс). Виртуальная лаборатория», Химия XXI век: 9 класс».

2.Развивающая – продолжить развитие мыслительных процессов и логических операций.

3.Воспитательная – воспитание внимательности, усидчивости, научной любознательности.

Тип урока: урок изучения нового материала

Оборудование: Мультимедийный компьютер, с использованием видео – проектора.

Ход урока

1.Вводная часть(Ориентировочно – мотивационный этап).

Приветствие учеников, проверка домашнего задания по теме химические свойства алканов:

1.Рассказать о способах получения алканов(у доски)

2.Решить упражнение 5(б) на доске.

На сегодняшнем уроке мы познакомимся с новым для нас классом веществ – непредельными углеводородами, в частности, с алкенами. Рассмотрим особенности строения алкенов, особенности изомерии и номенклатуры этих углеводородов, используя компьютерный конструктор молекул.

2.Изучение нового материала(Операционно – исполнительный этап).

Откройте тетради и запишите тему урока: Алкены. Строение, изомерия и номенклатура.

Что же такое непредельные углеводороды?

К непредельным углеводородам относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкины, алкадиены, некоторые циклические соединения. Сегодня мы подробно рассмотрим алкены.

Что же такое алкены?

Алкены – ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле Сn
H2n
.

Атомы углерода, между которыми имеется двойная связь, как вы знаете находятся в состоянии sp2
-гибридизации. Значит в гибридизации участвуют одна s- и две р-орбитали, а одна р-орбиталь остается негибридизованной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию сигма – связи, а за счет негибридизованных р-орбиталей соседних атомов углерода образуется вторая, пи – связь. Следует, что двойная связь состоит из одной сигма- и одной пи – связи. Это мы можем увидеть на примере молекулы 4метилпентена1.

Построение модели молекулы 4метилпентена1 с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 9-11».

Включаем конструктор молекул нажимаем на клавишу «С», а теперь на черный экран в середине конструктора. На экране появляется шар(атом углерода), нажав на который, появляется второй шар(атом углерода), соединенный с первым одинарной связью.

Учитель напоминает учащимся, как пользоваться конструктором молекул.

Молекула 4метилпентена1 в основной цепи содержит пять атомов углерода, для этого на каждый последующий атом углерода мы нажимаем по одному разу, пока не получим пять атомов, соединенных одинарными связями. Первый и второй атом соединяются двойной связью, для ее введения следует нажать на клавишу «=» в верхнем правом углу, а потом нажать на одинарную связь между первым и вторым атомами. Теперь вводим метильный радикал, нажимаем на клавишу «С» и на четвертый атом углерода в цепи. Модель молекулы построена.

Теперь рассмотрим модель в пространстве, используя мышь. С помощью вращения мышью можно показать расположение модели в разных плоскостях. Для более полного определения строения молекулы рассмотрим визуализации модели, т.е., штриховую модель молекулы, шаростержневую модель молекулы, визуализации атомных орбиталей, визуализации электронных эффектов (клавиши визуализации), с их помощью мы определяем порядок связи и плоскости расположения связей (особенно хорошо это показывает режим визуализации атомных орбиталей).

Итак, скажите как располагаются гибридные орбитали, образующие двойную связь, и орбитали, образующие пи – связь?(гибридные орбитали находятся в одной плоскости, а орбитали, образующие пи- связь, расположены перпендикулярно плоскости молекулы).

Построение модели молекулы бутена2 с помощью конструктора программы «Виртуальная лаборатория 9-11».

Учитель делит класс на минигруппы, которые занимают места за компьютерами. Каждая минигруппа (2-3) человека должна самостоятельно построить молекулу бутена2 и выявить особенности строения этой молекулы.

Построив молекулу, некоторые минигруппы получили разные результаты. Учащиеся должны отметить, что получаются молекулы с разным расположением радикалов вокруг двойной связи(у одних два метильных радикала расположены по одну сторону от двойной связи, у других по разные). Проблемная ситуация.

Учитель: Так у кого же молекула построена правильно и почему вы так думаете?

Учащиеся высказывают свои мнения.

Исследовательско – поисковый подход: Учитель: для решения данной проблемы запускайте программу «Химия XXI век: 9 класс» и нажмите на клавишу «Модели», «Основы органической химии», «Алкены».

Учащиеся отмечают, что даны модели цис- и транс- бутена2, какую смотреть?

Учитель: просмотрите обе модели и сделайте вывод о построенных вами моделях бутена2.

Учащиеся делают вывод, что построенные ими модели сходятся с интерактивными моделями цис- и транс- бутена2. Значит, модели построены правильно в обоих случаях.

Учитель: А как вы думаете цис- и транс- бутен2 отличаются по свойствам

Для правильного ответа на этот вопрос прочитайте второй и третий абзацы на стр. 84. ? (Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов цис – транс – изомерии. Цис – изомеры отличаются от транс изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы относительно плоскости пи
– связи, а следовательно, и свойствами.)

Учитель: Итак, мы с вами вплотную подошли к рассмотрению изомерии алкенов, изучив один из видов изомерии, характерных для алкенов, геометрическую изомерию.

Изомерия

Для алкенов, так же как и для алканов, характерна структурная изомерия.

Учитель: Вспомните, чем отличаются друг от друга структурные изомеры? (строением углеродного скелета).

Рассмотрим этот вид изомерии на примере пентена1. Структурным изомером является 3метилбутен1. Записываем вещества на доске.

А какой структурный изомер имеет бутен1? (метилпропен).

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения кратной связи: как в 4 метилпентене1 и 4 метилпентене2. Записываем вещества на доске.

Приведите изомер пропену? (нет изомеров по положению двойной связи).

Номенклатура

Номенклатура алкенов схожа с номенклатурой алканов. Выделим общепринятые правила:

1.Выбор главной цепи

Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи – самой длиной цепочки атомов углерода в молекуле, причем главная цепь должна содержать двойную связь, т.е., в молекуле 5 метилгексена 3 главная цепь состоит из первых шести атомов углерода.

2.Нумерация атомов главной цепи

Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе расположена двойная связь. Учитель Рассматривает пример 5метилциклогексен2, вещество записывает на доске, а затем называет его вместе с классом.

3.Формирование названия

Названия алкенов формируются так же, как и у алканов. В конце названия указывается номер атома, у которого начинается двойная связь, и суффикс, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, -ен.

Пример: 3,4диметилпентен1. Учитель записывает вещество на доске и называет его совместно с классом.

3. Закрепление (Рефлексивно – оценочный этап)

1. Нарисовать на доске молекулу 4,5,5триметилгексена2?

2. С помощью конструктора молекул построить для молекулы 4метилпентена1 изомер углеродного скелета и изомер положения кратной связи?

3. Домашнее задание: пар.12, упр.1

3.3.3 Урок: Фосфор и его соединения

Цели урока:

Образовательная
– Рассмотреть особенности фосфора как химического элемента, как простого вещества, а также рассмотреть особенности его получения и применения.

Развивающая
– продолжить развитие мыслительных процессов и логических операций, т.е., Развивать у учащихся умение анализировать материал и грамотно излагать свои мысли.

Воспитательная
– воспитание усидчивости, научной любознательности, внимательности.

Тип урока: Урок изучения нового материала

Оборудование
: Компьютеры. Урок проводится в дисплейном классе с использованием видео – проектора.

ХОД УРОКА

1.Вводная часть (Ориентировочно – мотивационный этап).

Учитель: На сегодняшнем уроке мы познакомимся с химическим элементом пятой группы, главной подгруппы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, фосфором. Также посмотрим в виде каких простых веществ существует фосфор, рассмотрим их особенности. Изучим особенности его получения и использования.

2.Изучение нового материала (Операционно – исполнительный этап).

Откройте тетради и запишите тему сегодняшнего урока «Фосфор и его соединения».

1) Рассказ учителя с элементами беседы:

· Скажите где в периодической таблице находится фосфор? (Химический элемент пятой группы, главной подгруппы, третьего периода).

· Какие порядковый номер и атомную массу имеет этот элемент? (порядковый номер 15, относительная атомная масса 30,974).

· Какова конфигурация внешней электронной оболочки? И какие степени окисления может проявлять фосфор в соединениях? (3s2
3p3)

, (Фосфор проявляет степени окисления -3, +1, +3, +5).

Рассказ учителя:

В отличие от азота, фосфор наиболее устойчив в высшей степени окисления +5, поэтому в природе он встречается исключительно в виде солей фосфорной кислоты- фосфатов. В нашей стране на Кольском полуострове разрабатывают крупные месторождения фосфорита и апатита Ca3
(PO4
)2

, Ca5
(PO4
)3
(OH)
.

Как вы думаете фосфор важен для организма? (важен)

Вы правы:

В организме взрослого человека содержится примерно 700г фосфора. Эта масса в основном приходится на кости, практически полностью состоящие из фосфатов кальция. Фосфор входит также в состав нуклеиновых кислот. Производные фосфорной кислоты ответственны за накопление клетками энергии. Ежедневно организм человека теряет примерно 1г фосфора. Это количество должно восполняться с пищей. Много фосфора содержится в молоке и рыбе.

2) Фосфор образует несколько простых веществ, т.е., для него характерна аллотропия
– существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ (аллотропных модификаций), различных по строению и формам. Он образует белый, красный и черный фосфор.

Белый фосфор представляет собой мягкую бесцветную массу, растворимую в сероуглероде CS2

и некоторых органических растворителях. Его можно резать ножом. На свету белый фосфор быстро желтеет и утрачивает прозрачность. При слабом нагревании он плавится. Низкая температура плавления, всего 44.1градуса, подсказывает нам, что белый фосфор имеет молекулярное строение
. Действительно, он образован молекулами Р4

, имеющими тетраэдрическую форму.

Рассмотрите модель молекулы белого фосфора. В чем особенность? (Каждый атом фосфора образует по три связи с другими атомами фосфора). Кроме того, белый фосфор очень ядовит. На воздухе белый фосфор воспламеняется.

Учитель демонстрирует опыт воспламенения белого фосфора на компьютере.

Красный и черный фосфор более устойчивые вещества, чем белый. Красный фосфор загорается лишь при 260градусах, имеет красно – фиолетовый цвет и полимерное строение. Плотность красного фосфора, в зависимости от способов получения, варьирует в пределах 2-2,4 г/см3.

Черный фосфор по внешнему виду похож на графит. Также как и красный, он имеет полимерное строение с пирамидальным расположением атомов, но плотность его составляет 2,7 г/см3
, имеет едва заметный металлический блеск и является полупроводником. Он с трудом вступает в химические реакции.

Проблемная ситуация
: Как вы думаете, почему красный и черный фосфор отличаются по свойствам, хотя имеют полимерное строение с пирамидальным расположением атомов?

Для ответа на этот вопрос рассмотрите модели кристаллических решеток красного и черного фосфора. Что вы видите? Что атомы черного фосфора расположены более компактно, чем атомы красного, это отражается на свойствах.

3) Теперь рассмотрим некоторые химические свойства фосфора.

При поджигании красный фосфор в кислороде сгорает с образованием белого дыма, состоящего из мельчайших частичек оксида фосфора (V). Учитель показывает видеофрагмент горения красного фосфора в кислороде:

4P + 5O2
= 2P2
O5

.

В избытке хлора сгорает фосфор бледно-зеленым пламенем с образованием хлорида фосфора (V), пары которые при охлаждении конденсируются в светло-желтые кристаллы. Учитель показывает видеофрагмент сгорания фосфора в хлоре:

2P + 5Cl2
= 2PCl5

.

Получают фосфор в электропечах (t = 1500˚с) при восстановлении фосфорита (осадочные горные породы, основой которых являются фосфатные минералы, их применяют для получения фосфора, фосфорных удобрений) углем:

Ca3
(PO4
)2
+ 5C+ 3SiO2
= P2
+ 3CaSiO3
+ 5CO

Как вы думаете, где главным образом используется фосфор? (в спичечной промышленности)

На спичечную головку нанесена смесь, содержащая бертолетову соль KClO3

, клей, а также небольшие количества серы, оксида марганца (IV) и некоторых других веществ, а на боковые стенки коробка – смесь красного фосфора со стеклянной крошкой.

При трении спички о коробок фосфор окисляется бертолетовой солью и спичка загорается:

5KClO3
+ 6P = 3P2
O5
+ 5KCl
.

Однако, смесь красного фосфора и бертолетовой соли чрезвычайно взрывоопасна и может использоваться не только в спичечной промышленности. Учитель показывает видеофрагмент взрыва смеси.

3.Закрепление (рефлексивно – оценочный этап)

Для закрепления полученных знаний, прорешайте задания в режиме «тренажер».

4.Домашнее задание: Пар. №50, 51.

3.3.3 Урок. Оксиды азота

Цели урока:

Образовательная
– Рассмотреть особенности кислородных соединений азота, используя программу «Химия для всех ХХI: 9 класс».

Развивающая
– продолжить развитие мыслительных процессов и логических операций, т.е., развивать у учащихся умение анализировать материал и грамотно излагать свои мысли.

Воспитательная
– воспитание усидчивости, научной любознательности, внимательности.

Тип урока: Урок изучения нового материала

Оборудование
: Компьютеры. Урок проводится в дисплейном классе с использованием видео – проектора.

ХОД УРОКА

1.Вводная часть (Ориентировочно – мотивационный этап).

Учитель: На сегодняшнем уроке мы изучим кислородные соединения азота, соответствующие всем возможным степеням окисления от +1 до +5, рассмотрим некоторые физические и химические свойства этих соединений.

2.Изучение нового материала (Операционно-исполнительный этап).

Рассказ учителя с элементами беседы:

Известны оксиды, соответствующие всем возможным степеням окисления от +1 до +5. Как вы думаете, какие это оксиды, назовите их? Учитель записывает вещества на доске.

N2
O NO N2
O3
NO2
N2
O5

Оксиды азота со степенью окисления азота +1 и +2 не реагируют с растворами кислот и щелочей, т. е., они несолеобразующие, а оксиды со степенями окисления азота +3, +4, +5 кислотные оксиды. А что такое кислотный оксид?

Оксид азота (V)
N2
O5
– ангидрид азотной кислоты. Это сильный окислитель, но очень неустойчивое вещество, оно не находит практического применения.

Оксид азота (III)
N2
O3
представляет собой темно-синюю жидкость, которая при охлаждении образует ярко-синие кристаллы красно-бурый газ, конденсируется ниже -40 °C. При его растворении(кислотный оксид) в воде образуется неустойчивая азотистая кислота HNO2
, существующая лишь в разбавленных растворах.

Т.е., H2
O + N2
O3
= 2HNO2
.

Соли азотистой кислоты – нитриты – более устойчивы, чем сама кислота, и выделены в твердом виде.

Нитриты проявляют окислительные свойства. При слабом нагревании нитрита аммония происходит внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция с образованием азота:

NH4
NO2
= N2
 + 2H2
O

Где азот и окисляется и восстанавливается, т.е.,

2N+3
+ 6e–
 N2
0
1 - восстановл. окислитель

2N–3
– 6e–
 N2
0
1 – окисление восстановитель

N+3
+ N–3
 N2
0

Вспомните, где используется данная реакция? (для получения азота в лаборатории). Учитель показывает видеофрагмент получения азота.

Нитриты используются в пищевой промышленности. Нитрит натрия NaNO2
используют в производстве красителей, а также в качестве консерванта.

Добавление этой соли в мясные продукты позволяет сохранять их естественный цвет даже при длительном хранении.(учитель показывает с помощью проектора фотографию копченой колбасы). Однако использование нитрита натрия в пищевой промышленности стараются ограничивать, так как он весьма ядовит.

Оксид азота (IV)
NO2

- это тяжелый бурый ядовитый газ с неприятным запахом. Он является ангидридом сразу двух кислот – азотной и азотистой:

2NO2
+ H2
O = HNO2
+ HNO3

При нагревании азотистая кислота разлагается, поэтому при пропускании оксида азота (IV) через горячую воду в растворе образуется лишь азотная кислота:

3NO2
+ H2
O = 2HNO3
+ NO
.

А т.к. это кислотный оксид, то поглощение оксида азота (IV) щелочью приводит к образованию смеси солей – нитрата и нитрита:

2NO2
+ 2NaOH = NaNO2
+ NaNO3
+ H2
O
.

Молекула NO2

содержит нечетное число электронов, поэтому один электрон в ней остается неспаренным. Такие частицы в химии называют свободными радикалами. Они легко вступают в химические реакции.

Два неспаренных радикала способны взаимодействовать друг с другом. Так, два атома водорода образуют молекулу H2
:

H + H  H–H,

Аналогично протекает и взаимодействие двух молекул NO2

:

O2
N + NO2
 O2
N–NO2
.

Уже при комнатной температуре оксид азота (IV) содержит несколько процентов молекул N2
O4
. При понижении температуры их число возрастает, бурый газ превращается в светло-желтую жидкость, преимущественно состоящую из молекул N2
O4
. (Учитель показывает видеофрагмент получения димера оксида азота IV в ледяной воде).

Оксид азота (II)
NO
– бесцветный газ с неприятным запахом. Он сильно ядовит, так как прочно связывает гемоглобин крови и не позволяет ему переносить кислород.

Однако малые количества этого вещества оказывают лечебное действие на организм, стимулируя работу сердца и понижая кровяное давление. Именно оксид азота (II) является действующим началом сердечных препаратов на основе органических нитросоединений, например, нитроглицерина.

Молекула NO также как и молекула NO2
содержит нечетное число электронов, поэтому один электрон в ней остается неспаренным.

Оксид азота (II) малорастворим в воде и не реагирует с растворами кислот и щелочей. У отверстия цилиндра, наполненный этим газом, виден бурый “дым” – это образуется оксид азота (IV)(Показ видеофрагмента окисления NO):

2NO + O2
= 2NO2

.

Бурый дым (так называемый «лисий хвост») иногда тянется из труб заводов по производству азотной кислоты; это значит, что в атмосферу выбрасываются оксиды азота.

Оксиды азота NO
и NO2

, образующиеся при работе двигателей внутреннего сгорания, попадают в воздух, сильно загрязняя окружающую среду и наряду с сернистым газом вызывают кислотные дожди(учитель показывает фотографию бронзовых статуй, подверженных коррозии).

Проблемная ситуация
: NO не образует димера в отличие от NO2
, хотя также является радикалом, как вы думаете почему? одно из объяснений этого явления лежит в строении молекул. Для ответа на этот вопрос рассмотрите модели молекул этих двух веществ (каждый ученик рассматривает модели молекул индивидуально). Ответ: Рассмотрев модели молекул, видно, что молекула NO- линейная, значит атом азота находится в sp – гибридном состоянии, а молекула NO2
уголковая, атом азота находится уже в sp2
- гибридном состоянии, а ведь sp2
- орбиталь больше sp – орбитали, а значит атомы азота в NO2
скрепляются лучше, чем в NO.

Оксид азота (I)
N2
O
называют«веселящим газом» из-за слабого наркотического действия (учитель показывает видеофрагмент получения оксида азота I). Вдыхание небольших количеств этого вещества вызывает судорожный смех. «Веселящий газ» раньше использовали в медицине для наркоза. Сейчас им заполняют аэрозольные упаковки с пищевыми продуктами – взбитыми сливками, кремами.

3.Закрепление (рефлексивно – оценочный этап)

Для закрепления полученных знаний, учитель совместно с классом решает несколько заданий на тему «оксиды азота» в режиме «тренажер». Вопросы транслируются проектором, учащиеся отвечают, учитель вводит ответы.

4.Домашнее задание: Пар 42.

3.4 Результаты апробации

Апробация проводилась среди учащихся 9 классов школы №4 г. Калуги. Всего в педагогическом эксперименте участвовало 46 учащихся. Целью проведения апробации являлось выявление эффективности использования компьютерных моделей в процессе обучения химии и определение возможности применения данной программы в школьном курсе химии.

Для этого были выбраны два 9 класса, в одном из которых я вел уроки(23 человека), используя компьютерную поддержку(компьютерные модели), в другом – проводил уроки, не используя компьютера(23 человек). По итогам работы были проведены две проверочные работы по темам «оксиды азота» и «Фосфор», в результате которых выявлено:

С использованием компьютерной поддержки при изучении темы «Оксиды азота» получились следующие результаты:13% двоек, 26%троек, 48%четверок, 13% пятерок, без использования компьютерной поддержки(второй класс): 17% двоек, 36%троек, 30%четверок, 17%пятерок.

Рис 1. Результаты, полученные при проведении проверочной работы по теме «Оксиды азота».

При проведении проверочной работы по теме «фосфор» получены следующие результаты: С использованием компьютерной поддержки: 17%двоек, 31%троек, 43% четверок, 9%пятерок; без использования: 17%двоек, 48%троек, 31%четверок, 4% пятерок.

Рис 2. Результаты, полученные при проведении проверочной работы по теме «фосфор».

Высчитав общий процент оценок, было получено, что с использованием компьютерных моделей общий процент 4 и 5 составил 57%, а в случае без использования компьютеров составил 41%.

Рис 3 Общий процент оценок, выставленных при проведении проверочных работ

Это говорит о том, что использование интерактивных компьютерных программ делает процесс обучения более эффективным в сочетании с традиционным подходом в обучении
.

Помимо проверочных работ было проведено миниисследование на предмет выявления приоритетных направлений использования компьютерных моделей. Учащимся предлагалось выбрать варианты использования компьютерных моделей в образовательном процессе. Всего протестировано 23 человека.

19 человек(83%) считают, что компьютерные модели необходимо использовать при объяснении нового материала, 12 человек(52%) - при обобщении и повторении материала на уроке, 8 человек(35%) - при самостоятельном повторении материала, 7человек(30%) - при самостоятельном изучении нового материала.

На вопрос «Повышает ли ИКМ скорость усвоения материала» 13 человек (56%)ответило, что повышает, видимо использование компьютерных моделей повышает интерес к обучению химии у учащихся. А 15 учеников(65%) за продолжение создания программ, содержащих ИКМ.

Рис 4. Общие результаты проведенного миниисследования.

Из проведенного анкетирования видно, что меньше всего учеников считают целесообразным использовать компьютерные модели при самостоятельном изучении нового материала, поэтому важно продолжать разработку такого рода программ, создавая компьютерные модели интересного содержания, для стимулирования учащихся к познавательной деятельности.

Выводы

1. Проведен анализ учебно-методической литературы и нескольких электронных изданий на предмет использования интерактивных компьютерных моделей в образовательном процессе, который показал, что вопросы компьютеризации обучения рассматриваются достаточно широко, однако вопрос создания и применения компьютерных моделей изучении недостаточно, плохо разрабатывается структура интерактивных компьютерных моделей, да и методические рекомендации по использованию интерактивных компьютерных моделей большая редкость. Выявлено, что предлагается много моделирующих программ, но, к сожалению, не все из них качественно составлены и часто имеют множество недочетов, а иногда даже и ошибок.

2. Разработан сценарий интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем». Предложены содержание и структура данной программы.

3. Предложены сценарии уроков и методические рекомендации по их проведению при изучении тем: «алканы. Строение, изомерия, номенклатура», «алкены». Строение, изомерия, номенклатура», а также тем «оксиды азота» и «фосфор».

4. Проведена апробация элементов данной методики, результаты которой говорят об актуальности разработок интерактивных компьютерных моделей и внедрения их в учебный процесс. На основании полученных результатов следует продолжать работу над созданием и совершенствованием интерактивных компьютерных моделей и методикой их использования в обучении химии.

Литература

1. Ахлебинин А.К., Лазыкина Л.Г., Лихачев В.Н., Нифантьев Э. Е. Демонстрационный эксперимент на мультимедийном компьютере. // Химия в школе.- 1999.- № 5 – с. 56-60.

2. Ахлебинин А.К., Ахлебинина Т.В., Горбач М.Г., Нифантьев Э.Е. Подсказка как способ активации мыслительной деятельности учащихся // Информатика и образование. – 2000. - № 3. – с.53-57.

3. Барахсанова П.И., Маркова А.С., Григорьева А.А. Роль дистанционного обучения в создании образовательного пространства // Информатика и образование. – 2000., № 9 – стр. 37-39.

4. Безрукова Н.П., Сыромятников А.А., Безруков А.А. Использование компьютерных технологий при изучении химической связи. // Химия в школе.- 2001.- №2- с. 41-44.

5. Высоцкий И.Р., Данилова Н.П. Компьютер на уроке // Информатика и образование.- 1999.- №7 – с. 81 – 84.

6. Высоцкий И.Р. Компьютер в образовании. // Информатика и образование.- 2000.- №1 – с.86 – 87.

7. Гара Н.Н., Сергеева Т.А., Чунихина Л.Л. Всероссийский семинар «Компьютер в обучении химии» // Химия в школе.-1990.- № 1- с.76-79.

8. Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Ахлебинин А.К. Моделирование // «Химия» приложение к газете «1 сентября».- 2006. № 3 – стр. 5 – 7.

9. Демушкин А.С., Кириллов А.И., Сливина Н.А., Чубров Е.В. Компьютерные обучающие программы // Информатика и образование.- 1995.- № 3.- с.15 – 22.

10. Добротин Д.Ю., Журин А.А. Интернет в обучении химии. // Химия в школе.- 2001.- № 7- с.52-55.

11. Жильцова О.А., Самоненко Ю.А., Организация компьютерной поддержки // Химия в школе.- 2001.-№ 4- с.56-59.

12. Зазнобина П.С. Медиаобразование при обучении химии // Химия в школе.- 1995. -№ 2 – с. 3-7.

13. Калина О.Г., Павлова Л.С.. Программа Hyperchem на уроках химии. // Информатика и образование.- 2001.- № 8. – с. 92 – 95

14. Кречетников К.Г. Особенности проектирования интерфейса средств обучения // Информатика и образование.- 2002.-№ 4 – с. 65-73

15. Кривошеев А.О., Фомин С.С. Конкурс «Электронный учебник» // Компьютерные технологии в высшем образовании/ М.: Изд-во МГУ,1994.

16. Кузнецова Н.Е., Герус С.А.. Формирование обобщенных умений на основе алгоритмизации и компьютеризации обучения.// Химия в школе.- 2002.- № 5 -с.16-20

17. Купатадзе К.Т., Сванидзе А. С. Об использовании компьютера в учебном процессе // Химия в школе.- 2001.- № 7- с.55-56.

18. Курдюмова Т.Н. Компьютерные технологии в обучении химии // Информатика и образование. -2000.- № 8- с. 35-38.

19. Кюршунов А.С. Дидактические особенности разработки интерактивных компьютерных моделей. // Информатика и образование. - 2005.- № 2 – с. 78 – 81.

20. Левченко И.В. Реализация структурных элементов урока при использовании компьютера // Информатика и образование. – 2002.-№ 3. – с.32-35.

21. Лихачев. В.Н. Компьютерные модели в школьном курсе химии. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук. -2003. – с. 1-9.

22. Методика обучения химии: Теоретический и прикладной аспекты: Учеб.для студ. Высш. Учеб. Заведений. – М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1999. – 384с.:ил.

23. Нифантьев Э.Е., Ахлебинин А.К., Лихачев В.Н. Компьютерные модели в обучении химии. // Информатика и образование.- 2002.- № 7 – с. 77 – 85.

24. Наумов В.В. Разработка программных педагогических средств обучения // Информатика и образование.- 1999.-№ 3.- с.36-40.

25. Органическая химия: Учеб. для вузов: В 2кн./ В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина; Под ред. Н.А. Тюкавкиной. – М.: Дрофа, 2002. – Кн. 1: Основной курс. – 640 с.

26. Павлова Н.И. Компьютер как инструмент сбора информации на уроке химии // Информатика и образование. – 2003.-№ 9.- с.82-85.

27. Раткевич Е.Ю., Недошивин В.П., Мансуров Г.Н. ЭВМ на уроках химии // Информатика и образование. – 1997.- № 4- с.52-54.

28. Рекомендации научно методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам» // Педагогическая информатика.-2004.- №1

29. Теория и практика дистанционного обучения: Учеб. Пособие для студ.высш.пед.учеб.заведений / Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина, М.В. Моисеева; Под ред. Е.С. Полат. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 416с.

30. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов./Н.С. Ахметов – 4-е издание, испр. – М.:Высш.шк.;2002. – 743с., ил.

31. Хоютанова М.И. Компьютерное моделирование на уроках физики // Информатика и образование. -2003.- № 3- с.61-62.

32. Щенников С.А. Открытое дистанционное образование.- М., 2002.

33. Открытое дистанционное обучение // www.chem.msu.su

34. Компьютерные технологии в обучении // www.informatika.ru

35. Парадоксы дидактической наглядности // www.biblio.narod.ru

36. Взаимодействие компьютера и человека // www.yspu.yar.ru