Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Вікторія Валюк особливості застосування комп’ютерних моделей в шкільному курсі хімії постановка проблеми

Скачати 124.47 Kb.

Вікторія Валюк особливості застосування комп’ютерних моделей в шкільному курсі хімії постановка проблеми




Скачати 124.47 Kb.
Дата конвертації 13.04.2017
Розмір 124.47 Kb.

УДК 371.134:54(07)

Вікторія Валюк

ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ КОМПЮТЕРНИХ МОДЕЛЕЙ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ХІМІЇ
Постановка проблеми. Основними проблемами сучасної школи є необхідність підвищення ефективності та якості освітнього процесу.

Пріоритетним напрямком вирішення цієї проблеми в даний час є формування єдиного інформаційного освітнього середовища на базі використання нових інформаційних технологій і, зокрема, розробка сучасних електронних засобів навчального призначення (ЕЗНП), їх інтеграція з традиційними навчальними засобами.

Інформаці́йні техноло́гії, ІТ (використовується також загальніший / вищий за ієрархією термін інформаційно-комунікаційні технології (Information and Communication Technologies, ICT) - сукупність методів, виробничих процесів і програмно-технічних засобів, інтегрованих з метою збирання, опрацювання, зберігання, розповсюдження, показу і використання інформації в інтересах її користувачів.

Одним з найефективніших видів інформації, що дають найбільший ефект, є, як зазначає Кюршунов А.С. [12], навчальні комп’ютерні моделі (НКМ). Завдяки ним можливо наочно представити навчальний матеріал, а також складні для сприйняття об’єкти та їх властивості, особливо ті, які проблематично замінити матеріальними. А однією з найголовніших позитивних властивостей інтерактивних НКМ є можливість представити модель у тривимірному просторі, зробити імітацію та моделювання об’єктів і процесів у режимі реального часу, а також досліджувати їх з будь-якого ракурсу та активно взаємодіяти з ними.

Трив́имірний о́пис об'є́кта (англ. 3D) - представлення об'єкта в трьох просторових вимірах. Як правило, ці виміри представлені в вигляді координат X, Y, та Z. Можливо мати дані з ідентичними координатами x та y при відмінній координаті Z.
Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.

Таким чином, інтерактивні навчальні комп’ютерні моделі є одними з найважніших елементів електронних засобів навчання.



Аналіз останніх досліджень і публікацій. У роботах А.К. Ахлебініна, Л.Г. Лазикіна, В.М. Лихачова, Е. Е. Ніфантьева [1], П.І. Барахсанова, А.С. Маркова, О.О. Григор'єва [2], Н.П. Безрукова, А.А. Сиромятнікова [3], М.М. Гара, Т.А. Сергеєва, Л.Л. Чуніхіна [5], Д.Ю. Добротіна, А.А.  Журіна [6] , П.С. Зазнобіної [8] розглянуті основні можливості та особливості використання комп’ютерних моделей у процесі навчання, причому не тільки як засобів наочності, що дозволяють формувати і розвивати наочно-образне і наочно-дієве мислення, але і як засобів реалізації експериментально-дослідної діяльності. Багато з цих авторів підкреслюють, що в більшості випадків функціональні можливості комп’ютерних моделей надають більш широкі можливості для їх використання у процесі навчання, ніж моделі, реалізовані іншими засобами.

У роботах хіміків-методистів Л. Величко, Л. Романишиної, М. Тукало, Н. Шиян, О. Ярошенко показано можливості використання комп’ютерного моделювання при вивченні шкільного курсу хімії та виділені найбільш доцільні з методичної точки зору області застосування НКМ.

Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається

В даний час існує велика кількість вітчизняних і зарубіжних електронних засобів навчального призначення ( ЕЗНП ), використовуваних у навчанні хімії, що містять у своєму складі різні типи НКМ.

Мета статті полягає у визначенні методів побудови та використання навчальних комп’ютерних моделей у процесі вивчення шкільного курсу хімії.



Виклад основного матеріалу. Комп’ютерна модель – це модель, реалізована за допомогою комп’ютера, яка представляє сукупність даних і програм для їх обробки [12]. Особливістю навчальних комп’ютерних моделей” є їх орієнтація на наочне уявлення модельованих об’єктів і явищ. В. В. Лаптєв і А. А. Нємцев запропонували для таких моделей наступні визначення:

1. НКМ – це програмне середовище, що об’єднує в собі на основі математичної моделі, явища чи процесу засоби інтерактивної взаємодії з об’єктом і розвинені засоби відображення інформації [15].

Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.

2. НКМ – це програмно-апаратне навчальне середовище, яке дозволяє учням здійснювати інтерактивний вплив на досліджувані об’єкти та отримувати інформацію про результати даного впливу.

Аналіз сучасних навчальних комп’ютерних програм показав, що це визначення потребує уточнення. Автори визначення не включили в область поняття демонстраційні моделі, які відіграють важливу роль у навчанні. На нашу думку, поняття “навчальна комп’ютерна модель” можна визначити наступним чином.

Навчальна комп’ютерна модель – це апаратно-програмне навчальне середовище, що моделює досліджуваний об’єкт або процес, надає засоби наочного відображення інформації і, при необхідності дозволяє здійснювати інтерактивне управління моделлю.

Таке визначення НКМ охоплює весь спектр моделей, що використовуються в навчанні, і відображає специфіку навчальних комп’ютерних моделей, яка полягає в необхідності наочного відображення модельованих об’єктів і процесів.

В. В. Лаптєв і А. А. Нємцев пропонують класифікувати НКМ по ряду різних критеріїв [15]. За способом візуального відображення інформації НКМ може бути представлена в цифровому вигляді (таблиці, окремі числові значення), графічному (графіки, схеми, малюнки), текстовому (опис модельованого об’єкта чи явища) або в різних поєднаннях перерахованих варіантів ( рис. 1.).



Рис. 1. Класифікація навчальних комп’ютерних моделей за способом візуального відображення
Автори також пропонують розділити графічні моделі за наявності динаміки на дві групи: статичні і динамічні . На нашу думку, не тільки графічні моделі можна розділити на статичні та динамічні моделі, а й інші типи навчальних комп’ютерних моделей можна піддати такій класифікації.

Графі́чна моде́ль, або імові́рнісна графі́чна моде́ль (ІГМ, англ. probabilistic graphical model, PGM) - це ймовірнісна модель, для якої умовні залежності[en] між випадковими змінними виражено графом. Вони поширені в теорії ймовірностей, статистиці, - зокрема, баєсовій, - та в машинному навчанні.
Динамі́чна моде́ль сист́еми - сукупність співвідношень, що визначають вихід системи в залежності від входу та стану системи.
Статичними або динамічними можуть бути і цифрові, текстові і змішані моделі. Прикладом статичних цифрових моделей можуть бути таблиці, а динамічних – цифрові дані, що змінюються з часом. В якості статичної текстової моделі може виступати текстовий опис зміни параметрів моделі. Прикладом динамічної текстової моделі можуть бути повідомлення про зміну параметрів моделі, що з’являються на екрані (рис. 2).


Рис. 2. Класифікація НКМ за наявністю динаміки
Серед графічних можна виділити дві групи моделей, що розрізняються розмірністю зображення: двомірні і тривимірні моделі.

За типом взаємодії користувача з ВР можна виділити два типи моделей:



  • взаємодія від першої особи;

  • взаємодія від третьої особи, що представлена рухомим зображенням і яка ототожнюється з самим користувачем. Часто такий тип взаємодії здійснюється в “телевізійних” ВР.

За призначенням навчальні моделі умовно поділяють на такі типи:

  • моделі-заміщення;

  • моделі-представлення;

  • моделі-інтерпретатори;

  • дослідні моделі [13].

Модель-заміщення призначена для заміщення об’єкта в деякому уявному або реальному процесі у разі, коли вважається, що модель більш зручна для цієї дії в даних умовах.

Модель-представлення використовується для створення уявлення про об’єкт (реально існуючого або уявного) за допомогою моделі.

Модель-інтерпретація служить для тлумачення (інтерпретації) об’єкта у вигляді моделі.

Модель-дослідження служить для дослідження (вивчення) об’єкта за допомогою вивчення його моделі.

Зазвичай обрана або побудована для однієї із зазначених цілей модель може бути використана і за іншими призначеннями. Проте суб’єкт вибирає модель зазвичай для однієї із зазначених цілей, і відповідно з цим модель має певну назву.

У роботах М.М. Гара, Т.А. Сергеєвої, Л.Л. Чуніхіної, І. Л. Дріжун [5] розглянуті можливості використання комп’ютерного моделювання при вивченні шкільного курсу хімії. Автори звертають увагу на те, що дає використання комп’ютерних моделей у процесі навчання, а саме:



  • посилює мотивацію навчальної діяльності завдяки не тільки новизні роботи з комп’ютером, але й змістовного, операційного компонентів роботи з комп’ютерними моделями;

  • розширює можливості розкриття змісту курсу хімії, підвищуючи наочність і інформативність досліджуваного матеріалу (НКМ, наприклад, дозволяють зробити наочними найскладніші абстракції, недоступні для безпосереднього спостереження об’єктів і процесів мікросвіту);

  • можливості комп’ютерних керованих моделей дозволяють використовувати їх для моделювання об’єктів і явищ, які складно реалізувати іншими засобами;

  • в учнів розвивається уява, яке є істотним компонентом творчого мислення;

  • дозволяє реалізувати індивідуалізацію навчання.

Цими ж авторами визначені найбільш доцільні з методичної точки зору області застосування НКМ. Одними з них є моделювання:

  • хімічного експерименту при неможливості його реального проведення;

  • об’єктів і процесів мікросвіту;

  • технологічних процесів ряду найважливіших хімічних виробництв.

У роботах ряду авторів також розглянуті окремі питання застосування різних моделюючих програм при вивченні деяких тем шкільного курсу хімії:

  • виробництво сірчаної та азотної кислоти [1];
    Хімічна промисло́вість - це галузь важкої промисловості, до якої належить продукція мінеральних добрив, пластмас і хім. композитів, штучного і синтетичного волокна й текстилю, органічних і неорганічних хімікатів, гербіцидів, хімікатів для презервування продуктів харчової промисловості, фото- і кіноплівки та реактивів для упакування, штучної гуми, засобів для миття та дезинфектантів, отрутохімікатів воєнного призначення, а також деяких експозитів.
    Азотна кислота, нітратна кислота (HNO3) - сильна одноосновна кислота. Висококорозійна кислота, реагує з більшістю металів, сильний окисник. Має тенденцію набувати жовтого відтінку через накопичення оксидів азоту, при довгому зберіганні.


  • вивчення хімічної рівноваги [7];

  • залежність швидкості реакції від використовуваного каталізатора [11];

  • хімічний зв’язок [3];

  • будова речовини [4].

Ряд робіт присвячений застосуванню керованих моделей в експериментальній та дослідницької діяльності:

  • моделювання лабораторної роботи з органічної хімії для вивчення механізму SN2 З використанням молекулярного моделювання та методу ЯМР [1];
    Хімічна рівновага - різновид термодинамічної рівноваги в системах, де відбуваються хімічні реакції, такий стан коли концентрації реагентів залишається незмінним. У стані хімічної рівноваги процеси утворення хімічних сполук та їхнього розпаду в прямих та зворотніх реаціях, відповідно, зрівноважені.
    Молекуля́рне моделюва́ння (англ. molecular modelling, рос. молекулярное моделирование) - сукупність методів комп'ютерної графічної візуалізації та представлення геометрії молекул у тривимірному чи двовимірному просторі.
    Органі́чна хі́мія - один з найважливіших розділів хімії, який вивчає структуру та властивості органічних сполук. Органічними називають сполуки вуглецю з іншими елементами. Здатність вуглецю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули різного складу і будови обумовлює різноманіття органічних сполук (до кінця XX століття їх число перевищило 10 млн, зараз понад 20 млн).


  • моделювання окремих молекулярних зіткнень і можливості управління моделлю шляхом завдання початкових траєкторій молекул для вивчення кінетики хімічних реакцій і просторових чинників [5];

  • розробка і використання лабораторного приладу для вимірювання електропровідності розчинів, що має комп’ютерний інтерфейс і відповідне програмне забезпечення [1];
    Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.
    Програ́мне забезпе́чення (програ́мні за́соби) (ПЗ; англ. software) - сукупність програм системи обробки інформації і програмних документів, необхідних для експлуатації цих програм.


  • розробка і використання калориметра з комп’ютерним інтерфейсом і спеціального програмного забезпечення для проведення лабораторних робіт з його допомогою, наприклад, за визначенням ентальпії утворення оксиду магнію [10];
    Окси́д ма́гнію (рос. оксид магния, англ. magnesium oxide, нім. Magnesiumoxid) - оксид з формулою MgO. Складається з іонів Mg2+ та O2−, між якими діють іонні зв'язки. Оксид магнію має кристаличну структуру типу хлориду натрію.


  • керована модель для вивчення кінетики хімічної реакції залежно від механізму хімічної реакції [13];

  • використання мережевої комп’ютерної програми для протоколізаціі результатів проведення різних типів лабораторних робіт з метою визначення помилок, що допускаються учнями при виконанні лабораторних робіт і визначенні помилок, пов’язаних з технікою виконання титрування і обробки даних [13].
    Обро́бка да́них - систематична цілеспрямована послідовність дій над даними. Обробка даних містить в собі множину різних операцій.


На підставі аналізу комп’ютерних моделюючих навчальних програм з хімії нами запропоновано виділити кілька груп хімічних навчальних комп’ютерних моделей по модельованому об’єкту: атомів; молекул; речовин; хімічних реакцій; фізико-хімічних процесів; лабораторних робіт; хімічних виробництв; хімічних приладів.

Необхідно зауважити, що ця класифікація відносна і становить інтерес для вибору необхідного типу моделі при підготовці до уроку та проведенні аналізу навчальних комп’ютерних моделей, що використовуються в навчанні хімії. Їх зазвичай поділяють за рівнем деталізації модельованих об’єктів і процесів на моделі мікро- і макросвіту. Перші з них відображають будову і зміни, що відбуваються на рівні атомно-молекулярного представлення об’єктів, другі – зовнішні властивості модельованих об’єктів. Моделі таких об’єктів, як хімічні речовини, хімічні реакції і фізико-хімічні процеси можуть бути створені як на рівні мікро-, так і макросвіту.

Речовина́ - вид матерії, яка характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо). Характерною властивістю таких частинок є відмінні від нуля баріонний заряд або лептонний заряд.
Об’єктами для моделювання на рівні мікросвіту є атоми, молекули. У моделях речовин на рівні мікросвіту моделюються особливості будови речовини, взаємодії частинок, з яких складається речовина. При моделюванні хімічних реакцій і фізико-хімічних процесів на рівні мікросвіту розглядаються не зовнішні ознаки протікання процесів, а зміни, що відбуваються на електронному або атомно-молекулярному рівні (рис. 3).





Рис. 3. Класифікація хімічних навчальних комп’ютерних моделей за типом модельованого об’єкта і за рівнем деталізації модельованих об’єктів і процесів
В якості моделей хімічних реакцій на рівні мікросвіту можуть розглядатися ті, які демонструють механізми протікання хімічних реакцій. Відповідно в моделях фізико-хімічних процесів на рівні мікросвіту розглядаються не зовнішні ознаки протікання процесів, а зміни, що відбуваються на атомно-молекулярному рівні. Моделі хімічних процесів на макрорівні можуть бути реалізовані як у вигляді зображення, що схематично відображає перебіг хімічної реакції, так і вигляді оцифрованого відеофрагменту реально проведеного хімічного експерименту. Можливість моделювання практично будь-якого хімічного процесу, простота демонстрації, відсутність підготовки до демонстрації експерименту дозволяє розглядати дані моделі як невід’ємну частину навчального процесу поряд з хімічним експериментом.

Комп’ютерні моделі лабораторних робіт можуть використовуватися тоді, коли важко з якихось причин здійснити їх у класі. Комп’ютерні моделі хімічних виробництв можуть бути корисні в тих випадках, коли немає можливості познайомитися з досліджуваними технологічними процесами.

Технологі́чний проце́с - це впорядкована послідовність взаємопов'язаних дій та операцій, що виконуються над початковими даними до отримання необхідного результату.
Кіно- і діафільми часто виявляються недостатньо мобільними, щоб відобразити сучасні напрямки методики викладу подібних питань. Великою перевагою НКМ цього типу може стати реалізація в них можливості дослідження процесу виробництва залежно від змінюваних параметрів різних технологічних процесів, що неможливо реалізувати за допомогою традиційних моделей.

При вивченні хімії учні на перших уроках зустрічаються з об’єктами мікросвіту і НКМ, що моделюють такі об’єкти, можуть стати неоціненним помічником, наприклад, при вивченні теорій хімічного зв’язку, будови речовин, механізмів протікання хімічних реакцій і т.д.

Комп’ютерні моделі хімічного лабораторного устаткування можуть використовуватися для отримання навичок роботи з різним хімічним обладнанням, наприклад, інфрачервоного спектрометра [1]. Необхідно відзначити, що до цього типу належать саме ті комп’ютерні моделі, центральною частиною яких є отримання навичок роботи з різним хімічним обладнанням. Наприклад, у програмі «Комп’ютерне титрування сильних кислот і основ» при моделюванні лабораторної роботи використовуються моделі хімічних склянок і бюретки, але об’єктом вивчення є сам процес титрування, стратегія і тактика виконання лабораторної роботи, а не отримання навичок роботи з хімічним обладнанням.

Комп’ютерне моделювання хімічних процесів дозволяє з високим рівнем наочності продемонструвати учням ті хімічні й технологічні процеси реального виробництва, які неможливо показати в умовах навчального хімічного кабінету. Комп’ютерно орієнтовані засоби навчального призначення набагато підвищують ефективність організації та проведення лабораторних та практичних занять з хімії переважно за рахунок різноманітних засобів роботи у діалоговому режимі, коли учень стає своєрідним дослідником, який виконує наукові експерименти.

Експериме́нт (англ. experiment) - сукупність дослідів, об’єднаних однією системою їх постановки, взаємозв’язком результатів і способом їх обробки. В результаті експерименту отримують сукупність результатів, які допускають їхню сумісну обробку і зіставлення.

Таким чином, правильно організований навчальний процес з використанням інтерактивних навчальних комп’ютерних моделей дозволить:



  • здійснити організаційну перебудову навчання учнів з предметів природничого циклу з врахуванням особливостей інформаційно-комунікаційного освітнього середовища;

  • удосконалити методичні засади викладання хімії, що пов’язані із запровадженням засобів ІКТ в навчанні;

  • сприяти індивідуалізації процесу засвоєння знань, розвитку пізнавальних інтересів учнів, реалізації їх творчого потенціалу;

  • досягти більш високих освітніх результатів і тим самим підвищити ефективність діяльності системи загальної середньої освіти.
    Сер́едня осв́іта - система середніх шкіл, навчально-виховних закладів для молоді, що закінчила початкову школу, яка дає або загальну або професійну (спеціальну) освіту та право продовжувати навчання у вищих школах.


Подальші перспективи наукових досліджень у питаннях застосування інтернет-орієнтованих педагогічних технологій пов’язані, насамперед, із переглядом змісту хімічної шкільної освіти з огляду на підвищення практичної спрямованості курсу хімії, особливо із поширенням нових освітніх технологій у старшій профільній школі, у тому числі й таких, що передбачають широке використання комп’ютерно орієнтованих засобів навчання.
Шко́ла (від грец. σχολή - «відпочинок», пізніше «ті, кого повчають») - навчальний заклад, зазвичай початкової або середньої освіти, але також іноді й вищої (наприклад, Вища школа бізнесу) або спеціальної (наприклад, Київська школа економіки) освіти.
Дослі́дження, до́сліди - (широко розуміючи) пошук нових знань або систематичне розслідування з метою встановлення фактів; (вузько розуміючи) науковий метод (процес) вивчення чого-небудь.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

  1. Ахлебінін А.К. Демонстраційний експеримент на мультимедійному комп'ютері / А.К. Ахлебінін, Л.Г. Лазикіна, В.М. Лихачов, Е. Е. Ніфантьев // Хімія в школі. – 1999. – № 5. – С. 56-60. 

  2. Барахсанова П.І. Роль дистанційного навчання у створенні освітнього простору / П.І.
    Дистанційне навчання - сукупність сучасних технологій, що забезпечують доставку інформації в інтерактивному режимі за допомогою використання ІКТ (інформаційно-комунікаційних технологій) від тих, хто навчає (викладачів, визначних постатей у певних галузях науки, політиків), до тих, хто навчається (студентів чи слухачів).
    Барахсанова, А.С. Маркова, О.О. Григор'єва // Інформатика та освіта. – 2000. – № 9. – С. 37-39. 

  3. Безрукова Н.П. Використання комп'ютерних технологій при вивченні хімічного зв'язку / Н.П. Безрукова, А.А. Сиромятніков // Хімія в школі. – 2001. – № 2. – С. 41-44. 

  4. Висоцький І.Р. Комп'ютер в освіті / І.Р. Висоцький // Інформатика та освіта. – 2000. – № 1. – С.86 - 87. 

  5. Гара М.М. Всеросійський семінар «Комп'ютер у навчанні хімії» / М.М. Гара, Т.А. Сергеєва, Л.Л. Чуніхіна // Хімія в школе. – 1990. – № 1. – С.76-79. 

  6. Добротін Д.Ю. Інтернет у навчанні хімії / Д.Ю. Добротін, А.А.  Журін // Хімія в школі. – 2001. – № 7. – С.52-55.

  7. Жильцова О.А. Організація комп'ютерної підтримки / О.А. Жильцова, Ю.А. Самоненко // Хімія в школі. – 2001. – № 4. – С.56-59. 

  8. Зазнобіна П.С. Медіаосвіта при навчанні хімії / П.С. Зазнобіна // Хімія в школі. – 1995. – № 2. – С. 3-7. 

  9. Калина О.Г. Програма Hyperchem на уроках хімії/ О.Г. Калина, Л.С. Павлова // Інформатика та освіта. – 2001. – № 8. – С. 92 - 95 

  10. Кузнєцова Н.Є. Формування узагальнених умінь на основі алгоритмізації і комп'ютеризації навчання / Н.Є. Кузнєцова, С.А. Герус // Хімія в школі. – 2002. – № 5. – С.16-20 

  11. Курдюмова Т.М. Комп'ютерні технології в навчанні хімії/ Т.М.  Курдюмова // Інформатика та освіта. – 2000 . – № 8. – С. 35-38. 

  12. Кюршунов А.С. Дидактичні особливості розробки інтерактивних комп'ютерних моделей / А.С. Кюршунов // Інформатика та освіта. – 2005 . – № 2. – С. 78 - 81. 

  13. Ніфантьев Е.Є. Комп'ютерні моделі в навчанні хімії / Е.Є. Ніфантьев, А.К. Ахлебінін, В.М. Лихачов // Інформатика та освіта . – 2002 . – № 7. – С. 77 - 85.

  14. Павлова Н.І. Комп'ютер як інструмент збору інформації на уроці хімії / Н.І. Павлова // Інформатика та освіта. – 2003 . – № 9. – С.82-85. 

  15. Лаптев В., Немцев А. Учебные компьютерные модели / В. Лаптев, А. Немцев // Информатика и образование. 1991.№ 4.С. 70-73.


Скачати 124.47 Kb.

2021