47229

Цифровые лаборатории как средство современного школьного химического образования

Дипломная

Педагогика и дидактика

Компьютерные модели в обучении химии. Компьютерные модели макромира. Компьютерные модели в обучении химии Среди различных типов педагогических программных средств многие авторы особо выделяют те в которых используются компьютерные модели.

Русский

2013-11-26

362.97 KB

30 чел.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................3

1. Цифровые лаборатории в школе………………………………………………..4

2. Цифровые лаборатории как средство современного школьного химического образования................................................................................................................5

2.1.Перечень некоторых практических работ по ЦЛ «Архимед»…………..7

3.Компьютерные модели в обучении химии ...…………………………………10

     3.1. Компьютерные модели микромира……………………………………..13

   3.1.1.Атомы, ионы, молекулы, кристаллы……………………………...…13

     3.2.Модели физико-химических процессов и механизмов реакций………16

     3.3.Компьютерные модели макромира……………………………………...18

        3.3.1.Модели химических реакций………………………………………...18

     3.4.Модели лабораторных работ……………………………………………..22

     3.5.Модели химических производств………………………………………..24

     3.6.Модели химических приборов…………………………………………...25

4.Школьный химический эксперимент………………………………………….28

     4.1.Опыт 1. Растворение нитрата аммония …………………………………31

4.2.Опыт 2. Растворение гидроксида натрия………………………………..31

4.3.Опыт 3. Растворение серной кислоты в воде…………………………...31

4.4.Опыт 4. Растворение поваренной соли …………………………………31

4.5.Методическое сопровождение эксперимента ………………………….32

5.Преимущества применения ЦЛ………………………………………………..35

5.1.Принципы использования ЦЛ……………………………………………36

5.2.Ограничения применения ЦЛ на уроках………………………………..42

6.Обобщающий урок в 8-м классе……………………………………………….45

ВЫВОД……………………………………………………………………………49

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...51

Введение

Информатизация и компьютеризация школы существенным образом изменили подходы и методические требования к формированию предметных умений учащихся по химии, а также к комплексу средств. В настоящее время в школы поступает новое поколение средств обучения, открывающих принципиально новые возможности для учителя. Среди них цифровые лаборатории «Архимед», «L-микро», «AFS» и другие, которые становятся необходимым компонентом информационно-предметной среды школы. Эти лаборатории позволяют проводить исследования физико-химических величин при помощи специальных датчиков и компьютера. Их можно отнести к новым техническим средствам обучения.

Появление такого оборудования в школе позволяет углубить знания в естественнонаучных дисциплинах, поскольку их основу составляют опыты, которые дают больше возможностей для экспериментального изучения различных понятий. Современные средства обучения способствуют обновлению содержания школьного химического образования, поскольку с их помощью учащийся может изучить свойства тех объектов, которые ранее ему были недоступны по причине отсутствия методов их измерения. Опыты с датчиками позволяют сочетать химический эксперимент с компьютером. Использование датчиков позволяет лучше визуализировать школьный курс химии, так как результаты всех опытов выводятся на экран при помощи мультимедиапроектора. Кроме того, имея грамотное методическое сопровождение, можно усилить визуализацию изучаемого материала (видеофрагмент, иллюстрация, анимация и т. д.).

1.Цифровые лаборатории в школе

При изучении естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Наглядность дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах, и повышает интерес к предмету. К сожалению, раньше оборудование для лабораторных работ по  биологии и химии, как правило, ограничивалось микроскопами и набором готовых препаратов или реактивов. Поэтому большинство работ носило лишь описательный характер. Наличие кино- и видеоматериалов по изучаемым темам также не решало проблемы, поскольку не давало возможности детям принимать участие в работе. Цифровые лаборатории являются новым, современным оборудованием для проведения самых различных школьных исследований естественнонаучного направления. С их помощью можно проводить работы, как входящие в школьную программу, так и совершенно новые исследования. Применение лабораторий значительно повышает наглядность как в ходе самой работы, так и при обработке результатов благодаря новым измерительным приборам, входящим в комплект лаборатории как биологии-химии, (датчики освещенности, влажности, дыхания, концентрации кислорода, частоты сердечных сокращений, температуры, кислотности и пр.), так и лаборатории физики (датчики силы, расстояния, давления, температуры, тока, напряжения, освещенности, звука, магнитного поля и пр.). Оборудование цифровой лаборатории универсально, может быть включено в разнообразные экспериментальные установки, проводить измерения в «полевых условиях», экономить время учеников и учителя, побуждает учеников к творчеству, давая возможность легко менять параметры измерений. Кроме того, программа для видеоанализа позволяет получать данные из видеофрагментов, что позволяет использовать в качестве примеров и количественно исследовать реальные жизненные ситуации, отснятые на видео самими учащимися и фрагменты учебных и популярных видеофильмов.

По отзывам учителей, использование Цифровых лабораторий способствует значительному поднятию интереса к предмету и позволяет учащимся работать самим, при этом получая не только знания в области естественных наук, но и опыт работы с интересной и современной техникой, компьютерными программами, опыт взаимодействия исследователей, опыт информационного поиска и презентации результатов исследования. Учащиеся получают возможность заниматься исследовательской деятельностью, не ограниченной темой конкретного урока, и самим анализировать полученные данные. Так, например, при изучении кислотности различных веществ учащиеся самостоятельно делают вывод, что многие популярные напитки вредны для пищеварительной системы, а при использовании некоторых моющих средств и, тем более, химических реактивов необходимо пользоваться перчатками.

2.Цифровые лаборатории
как средство современного
школьного химического образования

Новое поколение естественно-научных цифровых лабораторий (ЦЛ), поступающих в школы, позволяет организовать химический эксперимент на принципиально новом уровне, перейти к элементам научного исследования, от исключительно качественной оценки наблюдаемых явлений к системному анализу количественных характеристик, в полной мере реализовать возможности межпредметных связей с физикой, экологией, биологией, математикой и информатикой [19]. Они позволяют выполнять интегрированные учебные проекты по естественным наукам, применять и осваивать методы научной статистики, прикладной математики, информационных технологий.

ЦЛ используются в учебном процессе для практических занятий и лабораторных опытов на уроках химии, организации исследовательских практикумов, учебных исследовательских проектов как в классе, так и в походных условиях. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Результаты экспериментов могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью.

В настоящее время в школы поступают следующие цифровые лаборатории:

• «Архимед» производства Fourier SystemsInc , распространитель – Институт новых технологий

• «L-микро» производства компании «Лаборатория L-микро»

Цифровая (компьютерная) лаборатория – комплект учебного оборудования, включающий измерительный блок, интерфейс которого позволяет обеспечивать связь с персональным компьютером, контейнеры и датчики, регистрирующие значения различных физических величин. Комплект ЦЛ «Архимед» для кабинетов химии и биологии включает набор датчиков, позволяющих измерять:

• концентрацию катионов H+ в водных растворах (комбинированный pH-метр, внутри которого имеются две полуячейки, одна из которых содержит электрод сравнения, а другая – чувствительную стеклянную мембрану);

• концентрацию кислорода (амперометрический датчик, представляющий собой двухэлектродную систему из металлов, обладающих различными потенциалами на границе металл/кислород; интервал измерений в газовых смесях – 0–25% и в водных растворах – 0–12,5 мг/л);

• температуру (термоэлектрические преобразователи, работающие в интервалах от –200 °С до +400 °С и от 0 °С до +1250 °С);

• влажность (в конструкции датчика использованы влагочувствительные компоненты, представляющие собой электрические конденсаторы, емкость которых зависит от влажности газа (воздуха), в который они помещены);

• объемную скорость потока воздуха при вдохе и выдохе (пневмотахометр);

• частоту сердечных сокращений;

• освещенность;

• электрическое напряжение (вольтметр).

В комплект также может входить датчик оптической плотности для проведения калориметрических и турбидиметрических измерений, датчик электрической проводимости для кондуктометрии, ионселективные электроды, позволяющие измерять концентрацию следующих ионов: NO3-, F –, Ca2+, Cu2+, Pb2+ в интервале от 10–5 до 10–1 моль/л, и другие измерители.

2.1.Перечень некоторых практических работ по ЦЛ «Архимед»

ЦЛ «Архимед» включает сборник методических материалов с подробным описанием различных экспериментов [2], в том числе и по химии. В основном для организации химического эксперимента предлагается использовать датчики температуры и рН-метр. Ниже представлен перечень практических работ, рекомендованных для занятий по химии.

 «Реакции нейтрализации. Реакция между раствором гидроксида натрия и соляной кислотой». Анализ кривых зависимости рН и температуры реакционной смеси от времени, полученных в ходе эксперимента, позволяет определить концентрацию вещества в одном из исходных растворов, оценить тепловой эффект реакции нейтрализации.

 «Окислительно-восстановительные реакции. Реакция хлорида меди с алюминием». Предлагается получить график зависимости температуры реакционной смеси от времени и по нему оценить тепловой эффект реакции между указанными веществами.

 «Экзотермические реакции. Растворение гидроксида натрия в воде». Аналогично получают две кривые, которые затем анализируют и оценивают изменение концентрации гидроксид-ионов и теплоту растворения NaOH.

 «Эндотермические реакции. Растворение нитрата аммония в воде»,«Смешивание кристаллов гидроксида бария и роданида аммония», «Взаимодействие лимонной кислоты с пищевой содой». Полученные графики зависимости температуры смеси от времени позволяют рассчитать теплоту растворения NH4NO3 в воде, теплоты реакций между Ba(OH) 2 и NH4SCN, между лимонной кислотой и NaHCO3. Школьники на опыте могут убедиться, что описанные процессы протекают с поглощением теплоты.

 «Химический катализ. Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV)». Данная работа позволяет проиллюстрировать влияние катализатора на скорость химической реакции, сравнить эффективность различных катализаторов, установить влияние температуры и концентрации исходного вещества на скорость реакции.

 «Газовые законы. Зависимость давления воздуха от температуры», «Влияние изменения объема на давление воздуха». Очевидно, эти две работы в большей степени соответствуют курсу молекулярной физики.

 «Закон Гесса. Аддитивность теплоты реакции». Предполагается экспериментально подтвердить закон Гесса, анализируя тепловые эффекты растворения гидроксида натрия и нейтрализации полученного раствора соляной кислотой.

 «Теплота сгорания». Требуется определить теплоту сгорания магния в кислороде, используя закон Гесса и анализируя теплоты реакций MgO и Mg с соляной кислотой.

 «Плавление и кристаллизация». Предлагается изучить кривые замерзания воды и плавления льда. На основании построенных графиков определить температуру замерзания и плавления воды, оценить полученные результаты с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

 «Влияние примесей на температуру замерзания». Предлагается сравнить кривые замерзания чистого фенилсалицилата и его смеси с бензойной кислотой. Данная работа нацелена на формирование представлений о физических методах анализа, позволяющих оценить степень чистоты вещества, на установление закономерностей замерзания растворов и чистых растворителей.

 «Измерение калорийности продуктов питания». Предполагается оценить тепловые эффекты реакций сгорания веществ, входящих в состав попкорна, арахиса и алтея аптечного. На основании полученных данных определить калорийность указанных продуктов. Выбор объектов исследования, в частности корней алтея аптечного, авторы объясняют тем, что арахис содержит больше жира, а попкорн и алтей – углеводов.

 «Тепловой эффект сгорания топлива»В данной работе предлагается сравнить калорийность парафина и этанола как топлива на основании анализа зависимости температуры нагреваемой в калориметре воды от времени горения парафиновой свечи и спиртовки.

Для каждой практической работы представлена общая информация, где кратко изложены теоретические представления об изучаемых явлениях. Перечислено необходимое оборудование и реактивы, подробно описан монтаж экспериментальной установки, причем описание, как правило, сопровождается иллюстрациями. Даны советы, как настраивать параметры регистратора и датчиков, как проводить эксперимент, как анализировать экспериментальные данные. В заключение приведены вопросы, позволяющие оценить степень усвоения полученных знаний, и представлены дополнительные задания различного уровня сложности для закрепления и обобщения материала.

            3.Компьютерные модели в обучении химии

Среди различных типов педагогических программных средств многие авторы [4, 7, 18] 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, а следовательно, значение компьютерных моделей при изучении школьных дисциплин может существенно возрасти.

Одно из наиболее полных определений понятия «модель» дал В. А. Штофф: «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» [17].

Модели могут использоваться для решения различных задач. Р. Ю. Шенон выделяет пять типов моделей по функциональному назначению: средства осмысления действительности, средства общения, инструменты прогнозирования, средства постановки экспериментов, средства обучения и тренажа [16],. Последний тип моделей также называют учебными компьютерными моделями (УКМ). По нашему мнению, под учебной компьютерной моделью необходимо понимать программный модуль, моделирующий изучаемый объект или явление и объединяющий в себе средства интерактивного взаимодействия с моделью и 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 того или иного программного продукта — как вариант дидактического использования модели в процессе обучения.

Учебная компьютерная модель в составе программного продукта обычно существует не сама по себе, а дополняется 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.

Многие авторы [4, 12, 15] указывают, что УКМ должны способствовать прежде всего реализации преимуществ компьютерных моделей по сравнению с традиционными учебными моделями. Основное преимущество компьютерных моделей — возможность моделирования практически любых процессов и явлений, интерактивного взаимодействия пользователя с моделью, а также осуществления проблемного, исследовательского подхода в процессе обучения.

В изучении школьного курса химии выделяют несколько основных направлений, где оправдано использование УКМ [11,   13,   15]:

  1.  наглядное представление объектов
    и явлений микромира;
  2.  изучение производств химических
    продуктов;
  3.  моделирование химического эксперимента и химических реакций.

Несмотря на многообразие классификаций компьютерных моделей, наиболее полезной и понятной для учителя химии является классификация по моделируемому объекту. Все модели, используемые в преподавании химии, можно разделить по уровню представляемых объектов на две группы: модели микромира и модели макромира. Модели микромира отражают строение объектов и происходящие в них изменения на уровне их атомно-молекулярного представления. Модели макромира отражают внешние свойства моделируемых объектов и их изменение. Модели таких объектов, как химические вещества, химические реакции и физико-химические процессы, могут быть созданы как на уровне микромира, так и на уровне макромира.

Объектами для моделирования на уровне микромира являются структурные элементы атомов, атомы, ионы, молекулы, кристаллические решетки. В моделях веществ на уровне микромира моделируются особенности строения вещества, взаимодействия частиц, из которых состоит вещество, а не только строение самих этих частиц. Для моделирования химических реакций на уровне микромира прежде всего представляют интерес механизмы протекания неорганических и органических реакций. Соответственно, в моделях физико-химических процессов на уровне микромира рассматриваются не внешние признаки протекания процессов, а изменения, происходящие на электронном или атомно-молекулярном уровне.

Классификацию учебных компьютерных моделей, применяемых в обучении химии, можно отразить в виде схемы, представленной на рис. 1. Предложенная классификация, хотя и не является всеобъемлющей, позволяет учителю облегчить выбор необходимого класса моделей, необходимых для изучения той или иной темы или раздела курса химии, в зависимости от целей и задач урока.

Рис. 1. Классификация химических учебных компьютерных моделей по уровню представляемых объектов и моделируемому объекту

                     3.1.Компьютерные модели микромира

                             3.1.1Атомы, ионы, молекулы, кристаллы

При изучении химии учащиеся сталкиваются с объектами микромира буквально с первых уроков, и конечно же УКМ, моделирующие такие объекты, могут стать неоценимыми помощниками, например, при изучении строения атомов, типов химической связи, строения вещества, теории электролитической диссоциации, механизмов химических реакций, стереохимических представлений и т. д.

 Модели атомов 1 — 3-го периодов периодической таблицы Д. И. 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 с позиций квантовой механики.

В программе «Природа химической связи» объясняются причины возникновения химической связи на примере образования молекулы водорода из атомов. Демонстрационные орбитально-лопастные трехмерные модели некоторых молекул в рамках метода валентных связей реализованы в программе «Метод валентных связей: гибридизация атомных орбиталей». Обе указанные программы входят в комплект обучающих программ «Химия для всех — 2000» [19, 20] и широко используются учителями для демонстраций на уроках химии при изучении темы «Химическая связь», а также при исследовании строения алканов, алкенов и алкинов в школьном курсе органической химии. Упомянутые модели используются и в качестве иллюстративного материала в тестовых заданиях и справочниках ряда мультимедийных компакт-дисков: «Химия для всех 2000», «Химия для всех 2001. Школьный курс химии. Химия 89 класс», «Химия для всех — 2001. Химия для школьников и абитуриентов».

На наш взгляд, такое разноплановое применение моделей является полностью оправданным с дидактической точки зрения, так как предоставляются необходимые для учебного процесса наглядные средства, причем альтернативная реализация трехмерных орбитально-лопастных моделей молекул и процессов гибридизации в виде физических моделей довольно сложна.

В мультимедийном курсе «Химия для всех» (РОСУЧПРИБОР) используется программа — стереодемонстратор молекул. Она позволяет представлять объемные изображения молекул, состоящих из атомов кислорода, водорода, углерода и азота. Для демонстрации используются каркасные модели молекул, очень похожие на шаростержневые. Модели можно перемещать, поворачивать, демонстрировать одновременно изображения нескольких различных молекул, что может использоваться для сравнения строения различных молекул. Подробно описан формат файлов, хранящих информацию о молекулах, что позволяет создавать новые модели молекул. Всего приведены модели 25 органических молекул. Хотя представленные модели смотрятся достаточно эффектно, их дидактическая ценность невелика, так как фактически представлены шаростержневые модели достаточно простых соединений, которые каждый школьник может собрать, используя имеющиеся специальные наборы или даже подручные средства — пластилин и спички (такие практические задания по сборке моделей молекул некоторых органических молекул есть в школьных учебниках по органической химии).

Каркасные не интерактивные модели неорганических соединений реализованы в программе «1С: Репетитор. Химия». В онлайновой версии интерактивного учебника для средней школы по органической химии для XXI классов под редакцией Г. И. Дерябиной, А. В. Соловова, разработанной в Самарском областном центре новых информационных технологий при аэрокосмическом университете (ЦНИТ СГАУ), реализованы модели молекул органических соединений. В этой программе используются трехмерные интерактивные модели различных молекул (метанол, этанол, глицерин, фенол и др.).

Интерактивные демонстрационные каркасные модели используются в программах ChemLand (115 молекул преимущественно органических соединений), «Химия для всех».

Качество моделей в программах несколько различается. Например, качество интерактивных моделей в программе «Химия для всех» и онлайновой версии учебника по органической химии примерно одинаково, модели можно демонстрировать на полный экран монитора. Программа ChemLand им несколько уступает по качеству отображения моделей, модели нельзя демонстрировать на полный экран, но в программе представлено большое количество моделей.

При изучении строения молекул и кристаллов в школьном курсе химии могут быть полезны программы, которые не предназначены для непосредственного использования в учебном процессе, например, CS Chem3D Pro (входящая в пакет программ CS ChemOffice) [25] и Crystal Designer [26] (рис. 2). Эти программы в большей степени предназначены для исследовательских целей. Программа CS Chem3D Pro позволяет создавать, изменять и отображать трехмерную структуру различных молекул, выводить изображение молекул на печать. Аналогичными возможностями обладает и программа Crystal Designer, которая предназначена для визуализации трехмерной структуры кристаллической решетки. Эти программы могут быть полезны учителям при создании трехмерных изображений молекул и кристаллов и для их демонстрации на уроках с помощью компьютера.

Рис. 2. Фрагмент программы Crystal Designer

Программа «Собери молекулу», разработанная в Институте новых технологий образования (ИНТ;, хотя и уступает по своим возможностям вышеназванным профессиональным пакетам, может достаточно эффективно использоваться при индивидуальной работе школьников и в ряде случаев вполне может заменить пластилин и спички.

3.2.Модели физико-химических процессов и механизмов реакций

В программе «Химия для всех» реализованы демонстрационные не интерактивные модели по теме «Теория электролитической диссоциации»: диссоциация кислот, солей, щелочей, гидролиз солей, электропроводность растворов электролитов, растворение хлорида натрия в воде. Отсутствует возможность демонстрации моделей на полный экран, что ограничивает возможности их использования на уроках.

В этой же программе реализованы некоторые модели механизмов органических реакций: бромирование алканов (на примере метил этил изопропил метана), этерификация (на примере метилэтилового эфира), общий механизм реакции полимеризации и другие. Все модели механизмов реакций не интерактивные, демонстрируются на полный экран, имеют звуковое сопровождение. Однако отсутствует текстовое описание происходящих явлений, что существенно ограничивает использование программы, так как темп изучения фактически задан темпом речи диктора, что, как показывает опыт, делает невозможным использование одного из преимуществ компьютерного обучения — индивидуализацию. Следует отметить, что реализация некоторых компьютерных моделей не соответствуют общепринятым их представлениям, используемым при обучении химии. Например, в указанной программе в каркасных (шаростержневых) моделях молекул часто в одних случаях один шар обозначает отдельный атом (вернее, его ядро или центр атома), а в других — целую группу атомов. При изображении некоторых молекул смешаны элементы каркасных и объемных моделей. Это может ввести учащихся в заблуждение. К тому же в некоторых случаях используются устаревшие теоретические представления о строении органических веществ.

В онлайновой версии интерактивного учебника для средней школы по органической химии для XXIклассов под редакцией Г. И. Дерябиной, А. В. Соловова представлены обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной химической связи, гемолитический и гетеролитический механизмы разрыва ковалентной связи на примере отрыва атома водорода от молекулы метана, процесс sp-гибридизации. Представляют интерес интерактивные трехмерные демонстрационные модели органических молекул и механизмов химических реакций: хлорирование метана и общий механизм нуклеофильного замещения. При работе с моделями молекул можно изменять их положение в пространстве, а для механизма реакции — изменять положение точки наблюдения [22].

Примером зарубежной разработки, демонстрирующей механизмы химических реакций, может служить программа Organic Reaction Animations [27], содержащая 34 механизма органических реакций. 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 позволяет облегчить наблюдение за изменением внешних орбиталей реагентов в ходе реакции. В программе  демонстрируется изменение энергии системы в ходе реакции (рис. 3). При необходимости можно ознакомиться с теоретическим материалом об изучаемой реакции. Фрагменты программы, соответствующие темам школьного курса химии, вполне можно использовать при изучении органической химии в школе.

Рис. 3. Фрагмент программы Organic Reaction Animations

3.3.Компьютерные модели макромира

3.3.1.Модели химических реакций

В обучающих программах применяются, как правило, два варианта моделей химических реакций: в виде программно реализуемых изображений, схематично отображающих внешние признаки протекания химических реакций, и в виде оцифрованных видеозаписей реальных химических экспериментов.

В обучающих программах по аналитической химии «Окислительно-восстановительные реакции», «Химия комплексных соединений», созданных в Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева вначале 90-х гг., схематические модели используются для демонстрации соответствующих химических реакций.

Обучающие моделирующие программы используются для изучения химического равновесия и принципа Ле-Шателье. Это позволяет продемонстрировать на моделях закономерности химических процессов, что сложно сделать в реальности [1].

В обучающей программе «1С: Репетитор. Химия» реализованы анимированные схематические модели некоторых неорганических реакций (конверсия метана, получение оксида углерода, газификация угля и др.), а также модели электролиза расплавов соединений и водных растворов соединений [10, 14]. Для иллюстрации видеозаписи 69 химических опытов. Несмотря на наличие в программе значительного количества моделей, ее узкая дидактическая направленность на индивидуального пользователя затрудняет использование моделей для демонстрационных целей, что накладывает ограничения на применение программы на уроках в школе.

В мультимедийном курсе «Химия для всех» используется 19 видеозаписей реальных химических опытов, демонстрирующих химические свойства веществ [9].

Программа «Химические опыты со взрывами и без ...» содержит 65 видеозаписей демонстрационных химических опытов (рис. 4) [3, 19, 20]. Все они выполнены в виде отдельных видеоклипов — каждому соответствует свой файл в формате *.avi. Видеоклип начинается титрами с названием, затем следует сам опыт с комментарием диктора и в конце — схемы химических реакций. Для каждого опыта в программе есть текстовое описание, в котором приведены сведения о необходимых реактивах и оборудовании (в ряде случаев с цветными фотографиями), технике подготовки и выполнения опыта, а также объяснения происходящих явлений. Вся эта информация становится доступной пользователю после прочтения правил по технике безопасности, которые необходимо соблюдать при выполнении конкретного эксперимента и введения правильных ответов на три контрольных вопроса. Для учителей в программе имеются методические рекомендации по использованию каждого видеоклипа. Приведены разработки фрагментов уроков по конкретным темам с компьютерными демонстрациями. Каждый фрагмент урока содержит связку с предшествующим материалом, часть теоретических сведений, вопросы и задания для учащихся, в ряде случаев есть ссылки на дополнительную литературу.

Рис. 4. Фрагмент программы «Химические опыты со взрывами и без ...

Критериями отбора опытов для включения в программу являлись:

  1.  соответствие химической сущности опыта школьной программе;
  2.  эффектность или зрелищность опыта;
  3.  информативность — возможность использования опыта для иллюстрации нескольких тем школьного курса;
  4.  опыты, связанные с применением опасных или даже запрещенных для использования в школе веществ;
  5.  опыты с труднодоступными или дефицитными веществами;
  6.  опыты, требующие для выполнения наличия вытяжного шкафа ;
  7.  опыты, в которых ярко видна сущность химической реакции, не заслоненная различным оборудованием и устройствами;
  8.  опыты, требующие длительной подготовки.

Хотя программа предназначена в первую очередь для учителей и преподавателей вузов, она может использоваться и школьниками, интересующимися химией. Программа также может быть полезна при подготовке студентов в педагогических вузах, на курсах повышения квалификации [2].

В обучающей программе «Скорость химических реакций» (из комплекта программ «Химия для всех — 2000») в разделе «Гомогенные и гетерогенные химические реакции» используются видеофрагменты химических реакций не только для демонстрации, но и для создания проблемной ситуации: пользователю необходимо определить тип химической реакции после просмотра соответствующего видеофрагмента (рис. 5). В разделе «Кинематическая кривая» используется динамическая модель газовой смеси кислорода и озона, находящаяся в стеклянном сосуде. Эта модель используется для демонстрации закономерностей протекания реакции в зависимости от начальных условий. В ходе протекания реакции осуществляется его отражение в виде кинетической кривой [19, 20].

На мультимедийных компакт-дисках «Химия для всех 2000», «Химия для всех 2001. Школьный курс химии. Химия 8—9 класс», «Химия для всех 2001. Химия для школьников и абитуриентов» имеются видеозаписи 89 химических опытов, которые используются в качестве иллюстративного материала.

Рис. 5. Фрагмент программы «Скорость химических реакций»

3.4.Модели лабораторных работ

Компьютерные модели могут использоваться для моделирования лабораторных работ, которые трудно по каким-либо причинам осуществить в реальных условиях, или для подготовки к лабораторным работам.

Программа «Компьютерное титрование сильных кислот и оснований» (из комплекта программ «Химия для всех 2000») моделирует лабораторную работу по определению концентрации контрольного образца сильной кислоты или сильного основания методом титрования. Она позволяет строить кривые титрования моделируемых систем, анализирует действия пользователя и дает ему рекомендации по оптимальному построению работы. Программа содержит учебник и справочную систему, может работать в контролирующем режиме и в режиме тренажера. Сетевой вариант программы позволяет преподавателю получать текущую информацию о ходе выполнения работы каждым учащимся, а также информацию о допускаемых учеником ошибках. Вся информация сохраняется в электронном журнале (рис.6) [19, 20].

Рис. 6. Фрагмент программы «Компьютерное титрование сильных кислот и оснований».

В лабораторной работе по качественному определению веществ программы «ХимКласс» учащемуся предлагается набор растворов химических веществ и список этих веществ, необходимо определить предложенные вещества, проводя реакции между ними. Учащийся выбирает, между какими веществами он хочет провести реакцию, после чего моделируется проведение реакции в пробирочном варианте. На основе результатов ряда реакций учащийся определяет предложенные вещества [6].

В качестве примера зарубежных обучающих программ такого типа можно привести программу ChemLab. Программа моделирует работу в химической лаборатории и предоставляет пользователю набор лабораторного оборудования, такого, как горелки, пробирки, мерные цилиндры, бюретки, колбы и т. д. Это оборудование пользователь может использовать для выполнения ряда лабораторных работ, таких, как, например, кислотно-основное титрование, гравиметрический анализ хлоридов, реакции анионов и катионов и т.д. Для каждой лабораторной работы «выдается» набор химических реактивов и инструкция по выполнению работы. Пользователь может выполнять различные операции с имеющимся оборудованием и веществами: наливать химические реактивы в сосуды, добавлять их к имеющимся, нагревать и т.д. [21].

3.5.Модели химических производств

Модели этого типа могут быть полезны в тех случаях, когда нет возможности в реальности познакомиться с изучаемыми технологическими процессами. Кино и диафильмы часто оказываются недостаточно мобильными, чтобы отразить современные направления методики изложения подобных вопросов. Большим преимуществом УКМ этого типа может стать реализация в них возможности исследования процесса производства в зависимости от изменяющихся параметров различных технологических процессов , что невозможно реализовать с помощью традиционных моделей [14].

Среди рассматриваемых программ только в онлайновой версии интерактивного учебника для средней школы по органической химии для XXI классов под редакцией Г. И. Дерябиной, А. В. Соловьева реализована модель химического производства перегонки нефти (рис. 7).

Рис. 7. Фрагмент Flash-ролика из онлайновой версии интерактивного

учебника по органической химии

К сожалению, остальные модели химических производств, которые изучаются в школьном курсе химии, на современном уровне пока не реализованы. Вообще говоря, на уроках химии в современной общеобразовательной школе химическим производствам уделяется мало внимания, что в первую очередь связано с недостатком времени на изложение этой темы. Программы, моделирующие химические производства, могут быть более востребованы в системе профессионального образования.

3.6.Модели химических приборов

В современной практике научно-исследовательской работы широко используются измерительные приборы со встроенными микропроцессорами, компьютерами. Компьютерное моделирование таких приборов во многих случаях позволяет создавать практически их точные модели [5].

Компьютерные модели химического лабораторного оборудования могут использоваться для получения навыков работы с различным химическим оборудованием, например с приборами для физико-химического анализа [8]. Необходимо отметить, что к данному типу компьютерных моделей относятся те, центральной частью которых является именно получение навыков работы с различным химическим оборудованием. К данной группе компьютерных моделей не стоит относить те из них, в которых модели химического оборудования выступают как необходимый элемент, но не являются центральной частью модели или изучаемого явления. Например, в программе «Компьютерное титрование сильных кислот и оснований» при моделировании лабораторной работы используются модели химических стаканов и бюретки, но объектом изучения является сам процесс титрования, стратегия и тактика выполнения лабораторной работы, а не получение навыков работы с химическим оборудованием.

Примером программы, моделирующей химическое оборудование, является IR and NMR Simulators, моделирующая работу инфракрасного спектрометра (Perkin Elmer Model 1310 Infrared Spectrometer) и спектрометра ядерного магнитного резонанса (Varian EM360 NMR Spectrometer) [23].

Примером обучающей программы, в которой нашли применение многие из перечисленных типов моделей, может быть программа ChemLand, созданная в Массачусетском университете. Программа представляет набор моделирующих модулей для изучения различных разделов химии: основные понятия, структура атомов, структура молекул и химические связи, свойства веществ, химическое равновесие, реакции, термодинамика. Например, в разделе «Структура молекул и химические связи» 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. В разделе «Химическое равновесие» используется модель процесса титрования с построением кривой титрования. В разделе «Свойства веществ» реализованы модели, позволяющие познакомиться со свойствами газов и кристаллических веществ. В разделе «Химические реакции» используются модели радиоактивного распада веществ, электрохимической ячейки, процесса электролиза. В настоящее время это самая разносторонняя и интересная моделирующая программа, охватывающая многие важнейшие разделы химии.

У авторов сложилось двойственное отношение к программам, моделирующим химическое оборудование, лабораторные и практические работы. С одной стороны, лабораторные и практические работы школьного курса химии не являются сложными и учащиеся должны получить именно практические навыки работы с простейшим химическим оборудованием и веществами. С другой стороны, тенденции таковы, что скоро более доступным оборудованием в школе будет компьютер, а не штатив с пробирками. Кроме того, компьютерные моделирующие программы могут существенно расширить возможности для интересующихся химией школьников и сделать реальным, например, проведение компьютерного ЯМР-исследования в обычной школе.

Анализ рассмотренных обучающих моделирующих программ по химии показывает, что в них достаточно широко используются в качестве иллюстраций разнообразные модели физических и химических явлений и объектов. Хотя разработано довольно большое число моделей, они не охватывают полностью школьный курс химии. Созданные модели разнотипны и фрагментарны, что затрудняет их применение в процессе обучения. Не реализованы на современном уровне модели многих неорганических и сложных органических молекул, механизмов органических реакций, изучаемых в школьном курсе химии. В недостаточной мере реализованы модели физико-химических процессов. Например, не реализованы модели процессов очистки и выделения веществ, модели, демонстрирующие влияние температуры и давления на растворение в воде газообразных веществ, адсорбции молекул различных веществ на активированном угле и т. д.

Подавляющая часть реализованных моделей являются демонстрационными, не интерактивными. Отсутствие интерактивности делает невозможным реализацию исследовательского подхода к обучению. Как правило, отсутствуют методические рекомендации по использованию моделирующих программ в учебном процессе.

В настоящее время компьютерные обучающие программы по химии только начинают использоваться в учебно-воспитательном процессе в общеобразовательной школе, поэтому вышеизложенные недостатки моделирующих программ не представляют особой проблемы. Однако положение может измениться при реализации федеральной целевой программы «Развитие единой образовательной информационной среды на 2001—2005 гг.», когда возможно возникновение несоответствия между создаваемой материальной базой процесса компьютеризации и его программным обеспечением.

В связи с этим актуальными являются:

  1.  анализ школьных программ по химии с целью определения объектов для компьютерного моделирования с учетом существующих проблем обучения химии;
  2.  разработка единых технических, методических, эстетических требований к компьютерным моделям, информационно-моделирующим модулям и моделирующим программам с учетом основных закономерностей восприятия информации пользователем и использованием общих схем построения интерфейса;
  3.  создание многоуровневых, различных по степени отображения и сложности моделей микро- и макромира (двух- и трехмерных, демонстрационных и интерактивных) одного объекта или явления;
  4.  разработка интерактивных моделирующих программ с целью реализации исследовательского подхода к обучению;
  5.  использование при создании интерактивных и исследовательских моделей новых интернет- технологий (Flash-технология, язык моделирования виртуальной реальности VRML);
  6.  разработка универсальной, созданной в соответствии с принципами открытой архитектуры, программы-оболочки для демонстраций;
  7.  написание методических рекомендаций по использованию компьютерных моделирующих программ и включение их в тематическое и поурочное планирование.

4.Школьный химический эксперимент

Раскроем возможности применения датчиков при организации школьного химического эксперимента. В качестве примера рассмотрим технику и методику проведения опыта по теме «Определение тепловых эффектов растворения».

Рис. 8. Датчик температуры

Рис. 9. Система сбора данных


Цели: исследование физико-химической природы процесса растворения;

определение тепловых эффектов, возникающих при растворении различных веществ в воде; объяснение причин появления тепловых эффектов.

Реактивы и оборудование: дистиллированная вода, серная кислота, твёрдые хлорид натрия, гидроксид натрия, нитрат аммония; столик подъёмно-поворотный, химический стакан вместимостью 100 мл (4 шт.), лабораторный штатив, стеклянная палочка с резиновым наконечником, датчик температуры, небольшой кусок картона или фанеры.

Рекомендации учителю. Датчик температуры представляет собой зонд из  нержавеющей стали высокой прочности. Внутри зонда встроен терморезистор. Прибор измеряет сопротивление терморезистора при определённой температуре и конвертирует в значение температуры.

Подготовка к проведению эксперимента

  1.  В три химических стакана насыпают примерно на половину их объёма следующие вещества: нитрат аммония, хлорид натрия, гидроксид натрия. В четвёртый стакан наливают воду.
  2.  На демонстрационном столе устанавливают столик, на который помещают химический стакан.
  3.  Опускают в химический стакан датчик температуры и закрепляют его в штативе   (рис. 8).
  4.  Подключают датчик через кабель к системе сбора данных (рис. 9).
  5.  Подключают систему сбора данных к компьютеру через USB-порт.
  6.  При работе с концентрированной серной кислотой необходимо соблюдать               осторожность, так как при попадании на кожные покровы и на слизистые она вызывает ожоги. Попадание её в глаза может привести к потере зрения. Приливать надо серную кислоту в воду, а не наоборот

4.1. Опыт 1. Растворение нитрата аммония

1. Ставят химический стакан с нитратом аммония на картонку, слегка смоченную водой.

2. Помещают в стакан датчик температуры и нажимают на кнопку «измерить».

3. Приливают в химический стакан воду (она должна полностью покрыть соль).

4. Быстро размешивают содержимое стакана стеклянной палочкой.

5. Наблюдают за изменением температуры раствора (столбик виртуального  термометра опускается вниз).

6. Фиксируют температурный минимум нажатием на кнопку «остановить измерение».

4.2. Опыт 2. Растворение гидроксида натрия

1. В химический стакан с гидроксидом натрия помещают датчик температуры.

2. Нажимают на кнопку «измерить».

3. Приливают в стакан дистиллированную воду и интенсивно перемешивают содержимое стеклянной палочкой.

4. Наблюдают за тем, как столбик виртуального термометра ползёт вверх.

5. Фиксируют температурный максимум нажатием на кнопку «остановить измерение».

4.3. Опыт 3. Растворение серной кислоты вводе

1. Наливают в химический стакан воду (примерно до половины).

2. Вносят в стакан датчик температуры и закрепляют его в лапке штатива.

3. Нажимают на кнопку «измерить» и медленно, по каплям начинают приливать       концентрированную серную кислоту, постоянно помешивая раствор.

4. Фиксируют температурный максимум, возникший при растворении серной кислоты, нажатием на кнопку «остановить измерение».

4.4. Опыт 4. Растворение поваренной соли

1. Ставят химический стакан с хлоридом натрия на предметный столик.

2. Вносят в стакан датчик температуры и нажимают на кнопку «измерить».

3. Приливают в стакан воду (вода должна полностью смочить соль) и размешивают

содержимое стеклянной палочкой.

4. Фиксируют отсутствие изменения температуры раствора. Нажимают на кнопку

«остановить измерение».

Наблюдая опыты, учащиеся фиксируют в тетрадях свои наблюдения по изменению температуры раствора. Расчёты тепловых эффектов, сопровождающих растворение различных веществ, визуализируются на экране.

4.5. Методическое сопровождение эксперимента

Изучение эффектов, сопровождающих растворение веществ в воде, очень важно для понимания механизма процесса растворения. В ходе беседы с учащимися учитель вводит понятие «раствор» и даёт классификацию растворов по различным критериям (по агрегатному состоянию, по степени насыщенности и т. д.). Далее выясняют физико-химическую природу процесса растворения. Затем учитель предлагает учащимся провести опыты по растворению веществ в воде. Проводят опыты по растворению нитрата аммония, гидроксида натрия, серной кислоты, хлорида натрия в воде. Все опыты по растворению веществ в воде сопровождаются проецированием их на экран при помощи видеокамеры и проектора.

Интерпретация результатов опытов

Растворение нитрата аммония сопровождается резким понижением температуры раствора, что учащиеся и наблюдают на виртуальном термометре. Химический стакан целесообразно поставить на деревянную или картонную пластинку, которую нужно смочить водой. Это необходимо для того, чтобы соотнести данные виртуального и натурного

эксперимента. При проведении данного опыта наблюдается примерзание стакана к пластинке.

Растворение щелочей в воде сопровождается значительным выделением теплоты . Этот эффект позволяет продемонстрировать опыт по растворению гидроксида натрия.

Опыт, показывающий растворение серной кислоты в воде, имеет большое методическое значение: с его помощью можно доказать, что при растворении жидкостей и газообразных веществ в воде всегда происходит выделение тепла (нет кристаллической решётки). С другой стороны, можно научить, как правильно готовить растворы кислот: следует приливать серную кислоту в воду, а не наоборот!

Однако важно показать, что растворение не всех веществ в воде происходит с выделением или поглощением тепла. Например, при растворении хлорида натрия температура раствора не изменяется.

Интерпретацию результатов опытов проводят в ходе беседы с учащимися по следующим вопросам :

  1.  Что такое раствор?
  2.  Какова природа процесса растворения
    веществ?
  3.  Приведите доказательства в пользу того,
    что процесс растворения веществ в воде физический.
  4.  Какие признаки указывают на то, что процесс растворения химический?
  5.  Почему растворение одних веществ сопровождается определённым тепловым эффектом, а других нет?
  6.  Какие стадии можно выделить в процессе растворения веществ?

7.Почему растворение жидкостей или  газообразных веществ сопровождается всегда положительным тепловым  эффектом?

Наблюдение различных тепловых эффектов при растворении веществ объясняется прочностью их кристаллической решётки. Процесс растворения состоит из трёх этапов:

1) ориентации диполей воды вокруг кристалла;

2) взаимодействия их с частицами кристаллической решётки вещества (экзотермический процесс) — гидратация;

3) распада вещества на ионы (эндотермический процесс).

Таким образом, растворение сводится к двум противоположным процессам : с поглощением и с выделением энергий. Если энергии выделяется больше в реакции гидратации, то избыточное количество её выделяется во внешнюю среду, раствор   разогревается. Если в реакции гидратации выделяется энергии меньше, чем необходимо для разрушения кристаллической решётки, то необходимая энергия поглощается из окружающей среды, поэтому раствор охлаждается. Если количество энергии, выделяющейся при гидратации, равно количеству энергии, необходимой для разрушения кристаллической решётки, то температуры взаимно компенсируют друг друга и тепловой эффект в данном случае незаметен.

Все эти опыты наглядно показывают, что процесс растворения — это не только простое физическое перемешивание молекул  растворённого вещества и растворителя,  но и  химическое взаимодействие между ними. На основании этих опытов приходят к выводу о том, что процесс растворения носит физико-химический характер.

5.Преимущества применения ЦЛ

Наши наблюдения, анализ работы и отзывов учителей позволили выявить ряд преимуществ применения ЦЛ в школьном обучении химии по сравнению с традиционной формой проведения школьного химического эксперимента:

• наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;

• возможность хранения и компьютерной обработки результатов эксперимента, данных измерений;

• возможность сопоставления данных, полученных в ходе различных        экспериментов;

• сокращение времени эксперимента;

• возможности для индивидуализации обучения, учёта психолого-педагогических особенностей каждого учащегося при организации проектной деятельности.

Вместе с тем в ходе исследования были выявлены существенные   проблемы:

• появляется опасность переключения внимания учащихся с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами;

• происходит подмена учебных целей: вместо изучения явления — регистрация данных;

  1.  возможно снижение эффективности самостоятельной работы учащихся, все ручные вычисления и построения, во время которых происходит очень важное осмысление и переосмысление полученной информации, проводит компьютер;
  2.  возникает эффект чёрного ящика, учащемуся неизвестен принцип работы датчиков, соответственно, ему сложно установить причинно-следственные связи между наблюдаемым явлением и графиками на экране;
  3.  систематическое применение ЦЛ на уроках может привести к угасанию эффекта новизны, т. е. к постепенному снижению изначально высокого познавательного интереса к работе с ЦЛ.

5.1.Принципы использования ЦЛ

Проведя системный анализ существенных проблем, а также руководствуясь известными требованиями к учебному химическому          эксперименту, мы сформулировали ключевые принципы методики использования ЦЛ .

  1.  Принцип доминанты. На уроке в целом и во время проведения эксперимента внимание учащихся должно быть обращено в первую очередь на изучаемый химический феномен. ЦЛ — это лишь средство обучения.
    Определяя дидактические цели и задачи урока, необходимо перенести акценты на формирование ключевых, над предметных и предметных компетенций учащихся. Задачи развития умения обращаться с персональным компьютером,  датчиковыми системами, входящими в состав ЦЛ, должны быть второстепенными. Обучение компьютерным технологиям регистрации экспериментальных данных должно играть вспомогательную роль.
  2.  Принцип необходимости. Систематическое использование ЦЛ на уроках химии не может быть самоцелью химического образования, оно эффективно лишь в случае объективной необходимости, когда достижение поставленной педагогической задачи другими средствами невозможно. Необходимость
    применения ЦЛ на уроке в первую очередь связана с количественной стороной учебного химического эксперимента, динамикой изменения исследуемого параметра. Для изучения тепловых эффектов, наблюдаемых при растворении веществ, целесообразно использовать традиционное оборудование: демонстрационные термометры, термоскопы. Давно доказана эффективность проведения наглядных опытов, например примерзания деревянной дощечки ко дну стакана, в котором растворяется нитрат аммония. Однако для количественной оценки теплового эффекта растворения вещества целесообразно с помощью ЦЛ снять температурную кривую растворения, анализ которой существенно упрощает поиск максимума и минимума температуры исследуемой смеси по сравнению с использованием обычного лабораторного термометра.

3. Принцип проблемности. Высокой педагогической эффективности применения ЦЛ можно добиться, если учащиеся самостоятельно придут к выводу о необходимости применения ЦЛ при проведении эксперимента. Для реализации такого подхода необходимо выполнение двух условий: наличие проблемной ситуации, разрешение которой по силам учащимся, и их знания о возможностях ЦЛ при проведении физико-химических исследований.

Так, на первых уроках химии в 8-м классе речь идёт о физических свойствах веществ, в частности о температурах плавления и кипения. Можно включить в урок обсуждение методов измерения температуры. Учитель демонстрирует измерение температуры плавления веществ с помощью термометра и термопары — датчика из комплекта ЦЛ. На одном из последующих уроков, практическом занятии, восьмиклассникам предлагается экспериментально исследовать строение пламени спиртовки. После проведения традиционного теста с лучинкой и выделения трёх зон пламени учащиеся получают новое задание: определить количественные характеристики температуры каждой зоны. Анализируя пределы измерения школьного лабораторного термометра, учащиеся быстро приходят к выводу, что данный прибор не подходит для решения поставленной задачи, возникает проблемная ситуация. Вспоминая известные методы измерения высоких температур, учащиеся приходят к выводу, что поставленную задачу можно решить, используя термопару, соединённую с портативным компьютером-регистратором.

Другой пример связан с применением датчика рН при изучении основных классов неорганических соединений в 8-м классе. На уроках, посвященных изучению свойств кислот и щелочей, учащиеся узнают, что реакцию среды в растворе можно узнать как с помощью индикаторов, так и с помощью рН-метра. Затем на этапе обобщения знаний при проведении практической работы восьмиклассникам предлагается экспериментальная задача: определить, в какой пробирке находится вода, а в какой — раствор кислоты или щёлочи. Учащиеся без труда справляются с поставленной задачей, используя растворы индикаторов или индикаторную бумагу. Однако затем условие усложняется, им предлагается определить, где находится кислота или щёлочь, но выданные растворы не бесцветные, а окрашенные. Решение проблемы находится в применении датчика рН, входящего в комплект ЦЛ.

4. Принцип осознанности. Выполняя самостоятельную экспериментальную работу с применением ЦЛ, учащийся должен осознавать её цель, понимать взаимосвязь между выполняемыми действиями и решаемыми учебными задачами, различать их существенные и несущественные стороны, уметь объяснять содержание осуществляемого эксперимента, полученные результаты, критически оценивать их.

Наиболее распространённый вариант организации индивидуальной или групповой познавательной деятельности учащихся с использованием ЦЛ — практическая работа, выполняемая по инструкции. Вместе с тем чётко выполняя каждый пункт подробной инструкции, учащийся может потерять логику решения учебной задачи, переключить внимание с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами. Компьютерные технологии могут привлечь его внимание в большей степени, чем исследуемый химический феномен. Он зарегистрирует все необходимые результаты, правильно их обработает, безукоризненно оформит отчёт. Но, выполнив задание лишь формально, учащийся будет рассчитывать на высокую оценку своего труда.

Таким образом, учитель, составляя инструкцию для учащегося, должен постоянно помнить о дидактической цели планируемой практической работы. Инструкция должна побуждать учащегося к осмыслению и переосмыслению, должна ставить вопросы, требующие от него критического и системного анализа, установления логических связей, формулировки выводов. В противном случае обучение будет направлено на воспитание не думающего работника, а чётко и неукоснительно выполняющего инструкции.

С другой стороны, говоря об осознанности, необходимо учитывать, что на определённом этапе обучения учащиеся не знают принципов работы датчиков, не понимают, какие преобразования происходят в компьютере — регистраторе экспериментальных данных, каков физический и химический смысл используемых понятий (например, водородный показатель рН в 8-м классе). Соблюдается ли принцип осознанности, если восьмиклассник измеряет рН раствора, не зная положений теории электролитической диссоциации, устройства датчика, принципов его работы, не владея необходимым математическим аппаратом? Есть ли необходимость сначала объяснить учащемуся принцип работы термопары и только после этого вооружить его ею? Можно ли считать эксперимент критерием истинности, если непонятно, как получены результаты?

С точки зрения методологии науки сначала необходимо разобраться в принципах работы используемых приборов, датчиков и только после этого применять их на практике. На наш взгляд, существенное упрощение теоретических представлений об устройстве и принципах работы датчиков снижает ожидаемый педагогический эффект применения ЦЛ, не побуждает учащегося к личностному росту. Разрешение этого затруднения мы видим в поэтапном формировании знаний о сущности работы приборов, когда учащийся под руководством учителя постепенно выходит на уровень научного понимания и осмысления сущностных характеристик датчиковых систем.

5. Принцип кратковременности. Одно из важнейших требований к любому учебному химическому эксперименту — небольшая продолжительность. Он, в отличие от научного эксперимента, должен длиться несколько минут, так как ограничен рамками урока и играет подчинённую роль по отношению к содержанию урока. При использовании ЦЛ необходимо также учитывать время на монтаж экспериментальной установки, подготовку компьютера и датчиков к регистрации данных, в ряде случаев перед опытом требуется дополнительная калибровка измерительного оборудования.

Вместе с тем экономить время на обработке и интерпретации данных недопустимо. Стремление учителя выиграть учебное время для решения других задач на уроке за счёт сворачивания этапа обработки полученных результатов, его автоматизации, перенесения основной нагрузки на вычислительную машину существенно снижает эффективность применения ЦЛ. Компьютер должен решать лишь рутинные однообразные задачи. Осмысление и переосмысление цели работы, химической сути наблюдаемого явления происходит в тот момент, когда учащийся самостоятельно работает с данными, полученными в ходе исследования, обдумывает их, интерпретирует.

На этом этапе целесообразно предложить учащимся заполнить таблицы, составить схемы, построить графики вручную, например, на миллиметровой бумаге или на соответствующем поле заранее приготовленной инструктивной карты. Такой вид учебной деятельности особенно важен в начальный период формирования умений работы с ЦЛ. Например, изучая строение пламени с помощью термопары, на одном из первых практических занятий восьмиклассники не должны ограничиться простым созерцанием построенного на экране компьютера графика зависимости температуры от времени. Необходимо, чтобы они нарисовали схему строения пламени и сделали к ней соответствующие подписи с указанием измеренных значений температуры. Постепенно, по мере приобретения исследовательского опыта, учащиеся сами начнут использовать возможности компьютерной обработки экспериментальных данных.

6. Принцип вариативности. С одной стороны, применение небольшого числа датчиков (наиболее часто применяются датчики температуры и рН-метр) для решения однообразных исследовательских задач постепенно снижает интерес учащихся к экспериментальным работам, предполагающим использование ЦЛ, поскольку угасает эффект новизны. Поэтому учителю необходимо планировать учебные эксперименты, разнообразные по содержанию и формам применения ЦЛ, расширять спектр используемых датчиков, полнее реализовывать межпредметные связи, апробировать различные варианты включения ЦЛ в организацию познавательной деятельности учащихся.

С другой стороны, применение ЦЛ на основе реализации принципа вариативности создаёт благоприятные условия для развития творческих умений учащихся. Так, если учитель убедится, что учащиеся уверенно овладели приёмами работы с ЦЛ, приобрели необходимый исследовательский опыт, то им можно предложить вариативные экспериментальные задачи, содержащие неопределённость и требующие осознанного выбора. Например, учащиеся могут количественно определить тепловой эффект растворения некоторого вещества (CuSO4, CuSO4 • 5Н2О).

Работу надо организовать в группах. В качестве средства для измерения температуры предложить на выбор лабораторный термометр и соответствующий датчик из комплекта ЦЛ. Затем попросить учащихся обосновать свой выбор, сравнить результаты, полученные различными группами, экспериментальные и справочные данные.

5.2.Ограничения применения ЦЛ на уроках

В настоящее время учителя активно используют ЦЛ, как правило, только для внеурочной деятельности школьников, в частности, для организации проектной формы работы. Ограничение применения ЦЛ на уроках, по нашему мнению, обусловлено следующими причинами:

• жесткие временные рамки урока;

• практически полное отсутствие количественного химического эксперимента в базовых учебных программах;

• превалирование иллюстрирующего химического эксперимента, недостаточное внимание к проблемному, поисковому и исследовательскому эксперименту на уроках;

• недостаточная оснащенность кабинетов химии (так, для проведения 9 работ из 15 предложенных требуется магнитная мешалка, которая не поставляется вместе с основным оборудованием лаборатории; для организации работ по химическому катализу и газовым законам требуется датчик давления, который входит в комплект ЦЛ только для кабинета физики;

• использование понятий, содержание которых существенно выходит за рамки Государственного образовательного стандарта (базовый уровень), например: «водородный показатель, pH», «понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой кристаллизации чистого растворителя, криоскопия», «эфиры ароматических гидроксикислот, фенилсалицилат».

Несмотря на указанные проблемы, с каждым годом растет число школ, в образовательный процесс которых внедряются современные технические средства обучения, в том числе и ЦЛ. Появляются интернет сообщества учителей, которые активно делятся своим опытом работы, методическими решениями и находками, например «Школа информатизации», «Сеть творческих учителей» .Организуются экспериментальные площадки в Москве, Санкт-Петербурге и других городах. Проводятся конкурсы методических разработок с использованием ЦЛ.

Наши наблюдения, анализ работы и отзывов учителей позволили выявить ряд преимуществ применения ЦЛ в школьном химическом образовании по сравнению с традиционной формой проведения школьного химического эксперимента:

• наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;

• возможность хранения и компьютерной обработки результатов эксперимента, измерений;

• возможность сопоставления данных, полученных в ходе различных экспериментов;

• сокращение времени эксперимента;

• возможности для индивидуализации обучения, учета психолого-педагогических особенностей каждого школьника при организации проектной деятельности.

Вместе с тем в ходе исследования были выявлены существенные проблемы:

• появляется опасность переключения внимания школьников с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами;

• происходит подмена учебных целей: вместо изучения явления – регистрация данных;

• возможно снижение эффективности самостоятельной работы школьника, поскольку все «рутинные» вычисления и построения, во время которых проходит очень важное осмысление и переосмысление полученной информации, проводит компьютер;

• возникает «эффект черного ящика»: ученику не известен принцип работы датчиков, и, соответственно, ему сложно установить причинно-следственные связи между наблюдаемым явлением и графиками на экране;

• систематическое применение ЦЛ на уроках может привести к угасанию «эффекта новизны», т.е. к постепенному снижению изначально высокого познавательного интереса к работе с ЦЛ.

Мы попытались выявить условия эффективности применения ЦЛ на уроке. Ключевым элементом химического образования является химический процесс, при его экспериментальном изучении может возникнуть проблема, для решения которой потребуется применение инструментальных методов анализа, в том числе датчиков ЦЛ. Необходимо понимание того, что ЦЛ – современное и эффективное средство обучения, но не его цель.

6.Обобщающий урок в 8-м классе

В качестве иллюстрации рассмотрим вариант обобщающего урока в 8-м классе по теме

«Кислоты и основания».

Цель урока. Формировать умения школьников определять кислоты и основания в растворах с помощью индикаторов и pH-метра; обобщить их знания о кислотах и щелочах.

Очевидно, в 8-м классе достаточно сформировать представление о водородном показателе только на качественном уровне, не вдаваясь в подробности физического смысла числовых значений.

Э т а п ы   у р о к а

I. Организационный момент (1 мин.).

II. Получение новых знаний (9 мин.).

III. Химический эксперимент с различными индикаторами, закрепление знаний (12 мин.).

IV. Проблемная ситуация (1 мин.).

V. Эксперимент с ЦЛ (12 мин.).

VI. Подведение итогов, закрепление нового материала, рефлексия (10 мин.).

Х о д   у р о к а

На первом этапе определяются цели и задачи урока, в ходе краткой эвристической беседы актуализируются знания школьников о кислотах и основаниях.

На втором этапе восьмиклассники выступают с сообщениями об индикаторах. При подготовке используются материалы Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов.

Третий этап урока включает проведение лабораторных опытов, в ходе которых школьники определяют среду в чистой воде, растворах кислот (HCl, H2SO4), щелочей (NaOH, KOH) и солей (NaCl, Na2SO4). В первом опыте используются растворы индикаторов, выданные учителем: лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Во втором – растворы индикаторов, которые восьмиклассники выделили дома самостоятельно из различных объектов (черники, краснокочанной капусты, черной смородины, лепестков фиалки) при подготовке к уроку.

На этом же этапе урока предлагается решить экспериментальную задачу – определить, в какой из выданных пробирок находятся растворы кислоты и щелочи. Для решения данной задачи ученики могут использовать любые индикаторы, в том числе и те, которые они принесли из дома.

На четвертом этапе учитель предлагает определить среду в смесях, имеющих интенсивную окраску: раствор кофе, крепко заваренный чай, томатный сок, вишневый компот, клюквенный морс. Как определить среду в растворе хлорного отбеливателя, разрушающего индикатор? Школьники приходят к выводу, что применение индикаторов не всегда эффективно, поэтому возникает необходимость искать новые возможности для определения среды в растворе. Учитель показывает, что можно использовать датчик кислотности – рН-метр – из набора ЦЛ.

Пятый этап – лабораторные опыты с применением ЦЛ. Восьмиклассники определяют среду, т.е. значение водородного показателя (pH) в чистой воде, растворах кислот, щелочей и солей с помощью стеклянного электрода. В ходе исследования учащиеся устанавливают, что нейтральные растворы имеют значение рН, близкое к 7, в кислых растворах рН меньше 7, а в щелочных – больше 7. Используя рН-метр, восьмиклассники определяют среду в тех растворах, для которых применение индикаторов было неэффективно.

На заключительном этапе ученикам предлагаются задания, нацеленные на прочное усвоение полученных сведений, включающие задания на воспроизведение и применение знаний в измененной ситуации.

П р и м е р ы  з а д а н и й

1) Метеослужба города зафиксировала выпадение дождевых осадков с pH = 4,5. Какую окраску примут известные вам индикаторы в такой дождевой воде?

2) Ученик решил исследовать раствор стирального порошка с помощью лакмуса. Однако выбранный индикатор незначительно изменил свою окраску. Как по-другому проверить, какая среда в исследуемом растворе?

3) Какой индикатор следует выбрать, чтобы обнаружить небольшую концентрацию щелочи в исследуемом растворе?

4) Окраска цветов гортензии в зависимости от кислотности почвы может изменяться: если pH почвы ниже 5,5, то цвет – голубой; если более 5,5 – розово-малиновый. Как это можно объяснить?

5) Как будет изменяться значение рН насыщенного водного раствора углекислого газа при нагревании?

Результаты письменного выполнения заданий, как правило, свидетельствуют о высокой степени усвоения знаний: 94% восьмиклассников успешно справляются с вопросами на воспроизведение изученного материала, а 85% – с вопросами, требующими применения знаний в измененной ситуации.

По окончании урока ученикам предлагается ответить на вопрос, какой из проведенных опытов понравился им больше всего. Можно выбрать только один вариант ответа:

• опыт 1 «Изменение окраски индикаторов (лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина) в растворах кислот, щелочей и солей»;

• опыт 2 «Изменение окраски индикаторов, самостоятельно выделенных из растительных объектов, в растворах кислот, щелочей и солей»;

• опыт 3 «Экспериментальная задача. Идентификация выданных растворов с помощью индикаторов»;

• опыт 4 «Определение значения рН в растворах кислот, щелочей и солей с помощью рН-метра»;

• опыт 5 «Определение значения рН в интенсивно окрашенных растворах с помощью рН-метра»;

• не понравился ни один из перечисленных опытов. Результаты подобного опроса на одном из уроков с использованием ЦЛ представлены на диаграмме

Рис.3. Результаты опроса учащихся
о понравившихся опытах на уроке с использованием ЦЛ

Таким образом, полученные результаты исследования могут свидетельствовать об эффективности применения ЦЛ на уроке химии в 8-м классе. Использование технического средства обучения нового поколения – ЦЛ – позволило добиться высокого уровня усвоения знаний, а схема построения урока помогла отчасти преодолеть выявленные проблемы.

Вывод

Расширяется количество школьных предметов, в которых активно используются цифровые датчики и компьютерные методы анализа данных. Раньше на уроках химии лабораторные работы часто имели качественный характер. С применением цифровых лабораторий ученики могут количественно исследовать изучаемые процессы. Демонстрационный эксперимент стал более наглядным, сопровождается измерениями и анализом данных. Опыты с опасными или “капризными” веществами учитель проводит до урока и снимает видеофрагмент, сопровождаемый графиками изменения температуры, рН, содержания кислорода, или других показателей. Ученики обрабатывают данные этого эксперимента самостоятельно, анализируют именно СВОИ результаты.

Например, для определения кислотности среды обычно используют индикаторы, но в некоторых случаях индикаторный метод оказывается непригодным. Собственная окраска цветных растворов маскирует цвет индикатора. В коллоидных растворах индикатор может частично адсорбироваться взвешенными частичками, и его цвет перестанет соответствовать среде должным образом. При изучении некоторых химических реакций изменение цвета индикатора является сигналом эквивалентности, т.е. окончания реакции. Однако, фиксируя окончание реакции, индикатор не может показать, прошла ли реакция за один этап, или состояла из нескольких последовательно сменяющихся этапов. Все эти проблемы отлично решаются при использовании датчика рН. Для датчика не имеет значения цветность и прозрачность раствора (при определении кислотности соков, газированных напитков, молочных продуктов, косметических средств). Можно измерять рН длительное время, заранее установив периодичность замеров (при мониторинге изменения кислотности водопроводной воды за сутки, изменения рН скисающего молока в течение двух дней). Таким образом, опыты по химии проводятся с веществами и объектами, знакомыми каждому школьнику.

Апробация в течение двух лет показала, что использование технического средства обучения нового поколения — ЦЛ — на основе выявленных принципов позволяет добиться высокого уровня усвоения знаний, устойчивого роста познавательного интереса учащихся при изучении химии.

На новый уровень выходит изучение химической реакции. Построив кривую титрования, ученик может «прощупать» ход реакции, понять ее сложность. Один скачок на графике – реакция простая, идет за один этап, два скачка – реакция происходит в два этапа, образуются промежуточные продукты. Используя «прием скачков», тестируют растворы природного происхождения. Принцип тот же: один скачок – одна кислая компонента, два – две, три – три. Некоторые опыты могут имитировать работу лабораторий по сертификации пищевых продуктов. В норме кривая титрования молока должна содержать один скачок. Появление второго свидетельствует о нарушении технологии производства (болезнь коров) или технологии хранения (добавление консерванта). Так школьная химическая лаборатория позволяет ученикам участвовать в настоящем научном исследовании, получить реальные результаты и объяснить их.

Список литературы

  1.  Алферова Е. А., Раткевич Е. Ю., Мансуров Г. Н. Изучение химического равновесия и принципа Ле-Шателье с использованием компьютера//Химия в школе. 2000. № 1.
  2.  Ахлебинин А. К., Лазыкина Л. Г., Лихачев В. Н., Ларионова В. М., Нифантьев Э. Е. Использование возможностей мультимедийного компьютера для показа демонстрационного химического эксперимента//Компьютерные учебные программы. 2000. № 2.
  3.  Ахлебинин А. К., Лазыкина Л. Г., Лихачев В. Н., Нифантьев Э. Е. Демонстрационный эксперимент по химии на мультимедийном  компьютере//Химия в школе. 1999. № 5.
  4.  Василевский И. О содержании учебных компьютерных программ//Информатика и образование. 1988. № 4.
  5.  Гёлп П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер.с франц. 2-е изд., испр. М.: ДМК, 1999.
  6.  Каталог учебных компьютерных программ для DOS и Windows. № 12 (2,98). Лето1998 года. М.: НПП «БИТпро».
  7.  Лаптев В., Немцев А. Учебные компьютерные модели//Информатика и образование. 1991. № 4.
  8.  Моделирование работы спектрометров. Виртуальная лаборатория для изучения молекулярной спектроскопии. Simulatedspectrometers: Computer laboratory fo teaching in molecular spectroscopy/Denisov Gleb S.,Grigoriev Ivan M., Tarabukhin Evgenii V.//lst Eur. Conf. Chem. Educ. (ECCE), Budapest,25—29 Aug., 1998. Budapest, 1998. Рж.хим.2000. № 1.
  9.  Пчелин М. А. Химический всеобуч на компьютере//Мир ПК. 2000. №6.
  10.  Пчелин М. А., Тельная Ю. В. Химия,биология и мультимедиа//Мир ПК. 1998. № 9.
  11.  Романова Н. Д., Юнерман Н. А. Использование ЭВМ при изучении химических производств /УХимия в школе. 1989. № 2.
  12.  Рубцов В. В., Каптелинин В. Н., Львовский В. А., Мулъдаров В. К., Невуева Л. Ю.,Поливанова Н. И., Улановская И. М., ДавыдовВ. В. Логико-психологические основы использования компьютерных учебных средств в процессе обучения//Информатика и образование.1989. № 3.
  13.  Сергеева Т. А., Зайцев О. С. Моделирование с помощью компьютеров при обучении химии//Химия в школе. 1987. № 2.
  14.  Трактуева С. А. Компьютеры в школе — программное обеспечение и методическая поддержка//Информатика и образование.1998. № 4.
  15.  Чунихина Л. Л. О применении компьютерных программ по химии/Химия в школе. 1989. № 2.
  16.  Шенон Р. Ю. Имитационное моделирование систем — искусство и наука: Пер. с англ./Под ред. Е. К. Масловского. М.: Мир,1978.
  17.  Штофф В. А. Моделирование и философия. М.: Наука, 1966.
  18.  Яковлева Т. А. Технология компьютерного моделирования//Информатика и образование. 1997. № 5.

19. Апухтина Н.В., Федорова Ю.В., Панфилова А.Ю. Цифровые естественнонаучные лаборатории на уроках химии. ИТО-2007

20. Цифровая лаборатория «Архимед». Методические материалы. М.: Институт новых технологий, 2007.

21. Леенсон И.А. Индикаторы. Энциклопедия «Кругосвет» 2005.

22. Черняк И. Растения-индикаторы. Наука и жизнь.№ 9.1963.

23. Арзамасцев К. Индикатор из лепестков. Химия и жизнь. № 3.1979.

24.Дорофеев М. В., Зимина А. И., Стунеева Ю. Б.Принципы эффективного применения цифровых лабораторий //Химия в школе.№ 2.  2010.

25.Жилин Д. М.Практикум «L-микро»: Руководство для студентов. — М.: Изд-во МГИУ, 2006.

26. Назарова Т. С, Грабецкий А. А., Лаврова В. Н.Химический эксперимент в школе. — М.: Просвещение, 1987.

27.Чернобельская Г. М.Методика обучения химии в средней школе: Учебник для студентов высш. учеб.за-ведений. - М.: ВЛАДОС, 2000

28.http://kspu.kaluga.ru/

29.http://splint.newmail.ru/

30.http://modelscience.com

31.http://cnit.ssau.ru/organics/index.html

32.http://www.falconsoftware.com/

33.http://www.chem.umass.edu

34.http://www.camsoft.com/support/

35.http://www.crystaldesigner.no/

36.http://chemwww.byu.edu/ora/


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48534. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКЕ 659 KB
  Системы линейных уравнений. Решением линейной системы 2.2 называется набор чисел которые при подстановке вместо неизвестных обращают каждое уравнение системы в верное равенство. Решением этой системы будут любые два числа х и у удовлетворяющие условию у = 3 – х.
48535. Методика навчання розв’язування складених арифметичних задач 90 KB
  Підготовча робота до ознайомлення учнів із складеною задачею; Ознайомлення із складеною задачею; Розвиток уявлень про структуру задачі; Прийоми розвитку уявлень про процес розв’язування задач; Розв’язування типових задач (на знаходження четвертого пропорційного, на пропорційне ділення, на знаходження числа за двома різницями, на знаходження середнього арифметичного та задач на рух). Розвиток умінь учнів розв’язувати складені задачі.
48537. Линии на плоскости и их уравнения. Прямая на плоскости. Различные формы уравнений прямой на плоскости. Угол между прямыми. Расстояние от точки до прямой 497.5 KB
  Уравнение Фху = 0 7.1 называется уравнением линии L если этому уравнению удовлетворяют координаты х и у любой точки лежащей на линии L и не удовлетворяют координаты ни одной точки не лежащей на линии L. х – а y – b = R уравнение окружности радиуса R с центром в точке b.3 уравнение...
48538. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 613 KB
  Сложные и обратные функции. График функции. Основные элементарные функции. Предел функции в точке и на бесконечности.
48539. Производные и дифференциалы высших порядков, их свойства. Точки экстремума функции. Теоремы Ферма и Ролля 440 KB
  Точки экстремума функции. Продифференцировав эту функцию мы получим так называемую вторую производную или производную второго порядка функции fx. Производной nго порядка или nй производной от функции fx называется производная первого порядка от ее n1й производной. Найдем производную 3го порядка от функции y=x5x3x12.
48540. Валютное право 182.3 KB
  № 16ФЗ Об Особой экономической зоне в Калининградской области и о внесении изменений в некоторые законодательные акты Российской Федерации Валютные правоотношения и их виды. В теории права правоотношение рассматривается как сложная общественная связь включающая в себя следующие элементы: субъекты правоотношений носитель прав управомоченный и носитель обязанности правообязанный; В теории права субъекты правоотношений подразделяются на три вида: физические лица; юридические лица коммерческие и некоммерческие организации;...
48541. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ НАУКИ 57 KB
  Они считали что приумножение богатства требует протекционистских мер по регулированию внешней торговли того чтобы поощрялся экспорт сдерживался импорт и всемерно поддерживалась национальная промышленность. Источником богатства меркантилисты считали неэквивалентный обмен в результате торговых взаимоотношений с другими государствами. Его труд посвящался проблеме преобразований в российской экономике направленных на преодоление бедности и преумножение богатства. Он считал что труд является источником богатства и в промышленности и в...