химия. Российская академия образования институт содержания и методов обучения

• Название: Российская академия образования институт содержания и методов обучения
• Анкор: химия
• Дата: 08.10.2022
• Размер: 0.77 Mb.
• Имя файла: dis1_chi.doc
• Тип: Диссертация; #722092
• страница: 4 из 11

Модель вызывает ассоциации с уже известным материалом, но объясняет новый или более широкий круг явлений. Поскольку метод аналогий - один из основных, элементов познания, то могут быть применены “модели - аналогии”, позволяющие провести аналогии с ранее полученными знаниями. Модели естественно являются схематизацией реального процесса или объекта. Особенное значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. Часто они необходимы и в тех случаях, когда изучается процесс одного пространственного и временного масштаба с субъектом обучения (учеником). Например, в разделе механики изучение сложного движения (полет вращающегося мяча в воздухе) требует для рассмотрения нескольких моделей: - модели вращающейся полой сферы с массой, распределенной по поверхности, модели поступательно движущегося точечного объекта, и моделей газодинамического вихря различных уровней сложности в зависимости от необходимой степени точности решения задачи. Все эти типы моделей являются абстрактными идеальными моделями, лишь приблизительно описывающими реальный процесс. Несмотря на то, что процесс доступен для непосредственного наблюдения и может быть повторен в реальном временном и пространственном масштабе, модели этого процесса оказываются сложными и нуждаются в четких методических рекомендациях, что обеспечивает их взаимосвязь и отсутствие между ними противоречий. Часто одного принципа суперпозиции, то есть простого наложения одного на другое различных компонентов движения, характеризующихся различными моделями, оказывается недостаточно. Поэтому проблемы моделирования существуют даже для тех явлений, которые можно показать живьем, или “в полный рост”.

При моделировании процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов, (очень быстрых или медленных, а также очень больших или очень малых размеров), проблема подбора модели еще более усложняется. Модель оказывается единственным объектом, который является носителем информации о процессе или явлении. В такой ситуации большое значение отводится модельному эксперименту. Модельный эксперимент - это особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования [137]. К модельному эксперименту, в котором вместо самого объекта изучается замещающая его модель, прибегают в случаях, когда объект исследования недоступен наглядному созерцанию, как объект микромира. Поэтому проблема моделирования особенно актуальна в естественных науках. В физике и химии - это проблема моделирования микрообъектов, то есть атомов и молекул. Современная энтроскопия позволяет различать атомы, но даже с использованием лучшего микроскопа атом или мелкая молекула видны как точки. Косвенные исследования дают много информации. Однако объединить все результаты в систему, используя какую-либо одну модель, не удается.

Используется много типов моделей. Условно их можно разделить на два класса: класс материальных (объёмных геометрических моделей) и класс мысленных (идеальных моделей), к которым можно отнести словесные и математические описания. Для описания реального процесса требуется минимум по одной модели из каждого класса. В идеальном случае из первого класса должно быть несколько моделей различных типов, воздействующих на различные органы чувств. Такое требование наглядности восходит еще к временам Яна Амоса Коменского и провозглашено им в «Великой дидактике»: «Пусть будет для учащихся золотым правилом: все, что только можно представлять для восприятия чувствами, а именно: видимое для восприятия зрением, слышимое - слухом, подлежащее вкусу – вкусом, доступное осязанию – осязанием. Если же какие-либо предметы сразу можно воспринять несколькими чувствами, пусть они сразу несколькими чувствами преподносятся».

Многолетний опыт и специальные психолого-педагогические исследования показали, что эффективность обучения и воспитания зависит от степени привлечения к восприятию всех органов чувств человека. Чем более разнообразно чувственное восприятие материала, тем более прочно он усваивается. Эта закономерность уже давно нашла своё выражение в дидактическом принципе наглядности, в обоснование которого внесли существенный вклад Я. А. Коменский, И. Г. Песталоцци, К. Д. Ушинский, а в наше время Л. В. Занков [83, с. 56].

На основе синтеза ощущений должно формироваться представление об изучаемом предмете или явлении. К осуществлению такой идеальной ситуации никто пока и не стремится. Тем более, что в соответствии с современной теорией нейро-лингвистического программирования люди различаются по способам получения, обработки и хранения информации. Зрение, слух и кинестетические чувства – это три основных входных канала, формирующих соответственно три основные системы восприятия – визуальную (зрительную), аудиальную (слуховую) и кинестетическую (моторную), через которые можно получить сведения об окружающей действительности. Остальные сенсорные каналы – обоняние и вкус, по-видимому, представляют собой редко применяемые способы получения информации о мире. При создании внутреннего образа свертывание содержания осуществляется благодаря информации, поступающей по всем каналам восприятия, что положительно влияет на качество усвоения материала. «Пропускная способность» органов чувств различна. Так, например, зрительные рецепторы воспринимают поток информации плотностью около 3 млн. бит/с., информация, воспринимаемая человеческим ухом, оценивается в 5 – 20 тыс. бит/с. То есть пропускная способность визуального канала в сотни раз больше, чем у аудиального. Информация воспринимается также осязанием (200 тыс. бит/с.), обонянием (10-100 бит/с.), вкусом (около 10 бит/с.). Источников информации должно быть несколько, иными словами, эффективное преподавание должно быть полимодальным, и тогда каждый обучаемый сможет воспользоваться учебной информацией [99].

Наибольший объем информации человек получает с помощью зрения, существенно меньше осязанием и ещё меньше с помощью слуха. Поэтому в первую очередь должны быть представлены «очевидные» модели, предпочтительнее, чтобы они были также осязаемые, то есть материальные. В этом случае наглядность моделей выше. Здесь под наглядностью модели понимается чувственная воспринимаемость того объекта, который выступает в качестве модели [71]. К признакам наглядности могут быть отнесены: доступность восприятия (для понимания); достоверность формируемых образов (через моделирование или аутентичность); визуализация основных понятий (как возможность показа, демонстрации, презентации объекта или явления, его отдельных сторон, признаков). Процесс визуализации информации позволяет свертывать содержание, фиксированное в разных формах (визуальной, аудиальной, кинестетической), в ёмкий, наглядный образ, который может быть развернут в каждый момент и использован в качестве основы для адекватных действий, мыслительных или практических [99].

Наиболее эффективной для дидактических целей является опора на различные анализаторы коры головного мозга, то есть комплексное использование различных видов и форм наглядности. Наглядность в обучении есть отображение явлений реального мира в виде дидактического образа, формируемого (или моделируемого) с помощью средств обучения [73].

Моделей одного и того же явления может быть несколько, и они могут быть разного уровня сложности. Они могут моделировать одно или несколько свойств, признаков. Обучающие модели должны соответствовать особенностям содержания и специфике восприятия учащихся, то есть должны выполнять дидактические функции. Обучающие модели, как и исследовательские должны быть информативными, то есть их использование должно создавать образ, насыщенный информацией, необходимой и достаточной для формирования понятия о моделируемом объекте. В то же время информативная (научная) насыщенность обучающих моделей не должна конфликтовать с их приспособленностью к специфике учебного процесса. Очевидно, что обучающие модели принципиально отличаются от исcледовательских. Исследовательские модели могут и не быть совместимыми между собой. Это объясняется тем, что открытия часто совершаются эвристическим методом и им могут сопутствовать иррациональные модели, не имеющие объяснения способа их образования. Они могут быть получены в момент “просветления”, “божественного откровения” или “интуитивно”. А выявление внутренних взаимосвязей между различными моделями требует иногда долгой и сложной работы.

В отличие от исследовательских обучающие модели одного объекта или явления не должны входить в противоречие с мировыми закономерностями и должны быть совместимыми между собой. Под совместимостью понимается такое взаимоотношение моделей, при котором имеется возможность замены одной модели другою без ущерба для общей научной картины изучаемого явления. Использование совместимой модели, вместо рекомендованной приводит не к противоречиям, а либо к усложнению способа объяснения, либо, в крайнем случае, к потере моделируемой стороны объекта. Совместимые модели при их взаимозаменяемости являются скорее комплементарными, чем тождественными.

В целом появление различных моделей объясняется разным уровнем сложности моделируемых явлений и различными областями их применения. Поэтому границы применения различных моделей обязательно должны пересекаться. То есть нельзя использовать одну модель, а затем сразу другую, несовместимую с первой. Обязательно должна быть область пересечения, в которой возможно применение как минимум двух моделей. В идеальном случае любая сложная модель должна быть совместимой с любой более простой моделью, отличаясь лишь диапазоном использования. Иначе процесс обучения и усвоения знаний о реальном объекте или явлении рискует перейти в область изучения особенностей самих моделей и их взаимоотношений в различных условиях.

Иллюстрацией данного положения может служить пример того, что произошло в физике, когда квантовая физика, придя на смену классической, стала работать с моделями чисто математическими, мысленными, не подкрепленными материальными, наглядными моделями. «Потеря наглядности и трудность сочетания в новом синтезе противоположных сторон вновь открытых явлений доводят физиков и философов до отказа от признания реальности самих явлений, а заодно и объективного существования внешнего мира, помимо нашего сознания» – писал академик А. Ф. Иоффе. В итоге в квантовой физике используется величина, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения всего электрона в точке. Это высокая степень абстракции. Точкой можно что - либо обозначать, не рассматривая внутреннюю структуру объекта. Говорить о физическом смысле и объяснении проявляемых свойств с помощью такой модели не представляется возможным. Точка - это не физическая модель, - это лишь способ статистического или математического описания некоторого неопределенного объекта, каким и остается на сегодняшний день электрон в отсутствии физической и геометрической модели. Из-за этого во второй половине 20 века появилось большое число авторов, специализирующихся в разных областях наук, которые утверждают, что физика как наука развивается в тупиковом направлении, переходя в область абстрактного искусства, доступного не всем. На вопрос, что такое электрон, часто дается ответ, что это не реальный объект, а система дифференциальных уравнений. Достижения квантовой механики огромны. Матричное исчисление волновых уравнений позволяет рассчитывать спектры и их тонкое расщепление. Эти расчеты совпадают с экспериментом. Для этих расчетов специалистам не требуются ни физическая, ни геометрическая модели. Но это не значит, что модели не нужны. Квантовая химия представляет собой только правильную расчетную схему, но не дает ответа на типичные вопросы, которыми задается химик. Химические системы настолько сложны, что в будущем придется прибегать к упрощениям и приблизительным методам, лишь предваряющим собственно химическую проблематику в форме моделей. Ни одна сформировавшаяся наука – это относится и к химии – не обходится без использования моделей и идеализаций [101]. Мышление человека на любом этапе его развития, не может не опираться на образы, на те или иные наглядные моменты, которые служат мышлению как бы определенными ориентирами в его движении. Без этих наглядных моментов, полученных в опыте и с помощью моделей, наше подсознание, какой бы степени абстракции оно не достигло, не могло бы двигаться вперед [71].

Модели необходимы для формирования целостного знания о строении вещества. Поэтому постоянно актуальной проблемой является создание учебных моделей, соответствующих современным научным представлениям, и обладающих дидактическими свойствами. Этой проблемой методисты занимаются постоянно на протяжении совершенствования научных моделей. Например, А. И. Шпак [135] предлагал в восьмом классе в виде первой модели использовать электрон, рассматривая его расположение в пространстве, форму электронного облака. Предлагалось 12 моделей атомов в невозбужденном состоянии, из них – 10 моделей атомов элементов 1 и 2 периодов и две модели элементов 3 периода (натрия и хлора). Они должны обеспечить весь курс школьной химии особым видом эксперимента (воображаемого) и особым видом наглядности, взаимосвязывающих теоретические понятия о структуре атомов с чувственным наблюдением веществ. Эти модели должны ускорять восприятие материала о структуре атомов, позволяя видеть изменение не только электронной конфигурации атомов в периодах и группах, но и изменение радиусов в них. Кроме того, предлагался набор кольцевых магнитов, обеспечивающих показ электромагнитных взаимодействий электронов первых шести элементов. Предлагались к использованию объёмные модели молекул следующих веществ: водорода, фтора, кислорода, азота, фтористого водорода, хлористого водорода, воды, аммиака, метана и хлористого натрия (в парах). По мнению автора, этих моделей достаточно, чтобы дать наглядные представления о ковалентных и ионных связях в химических соединениях. Разработаны также были объёмные модели кристаллических решёток алмаза, йода, поваренной соли и металлического натрия. Они отражают примерные размеры частиц по отношению друг к другу, расстояния между ними, контакт в молекулах, форму молекул и атомов. Перечисленные выше модели призваны создать неразрывную цепь моделей атомов, молекул, кристаллических решёток, начиная с модели одного электрона [135]. Логическим завершением такой работы было бы создание моделей этих же объектов из моделей электронов, поскольку именно электроны определяют формы молекул и кристаллов. Но такой модели пока не представлено из-за сложности расположения электронного облака в поле действия ядер атомов. Предложен был лишь набор из кольцевых магнитов, обеспечивающих показ электромагнитных взаимодействий электронов в первых шести элементах, что позволяет осуществлять моделирование атомов из электронов только до атома углерода. В свободном атоме углерода расположение электронов – колец возможно в параллельных плоскостях в виде стопки колец, в центре которой находится ядро. При этом в каждой симметрично расположенной относительно ядра паре колец - электронов, вектора спин антипараллельны.

В.С. Полосин для изложения вопроса о направленности электронных облаков в пространстве использовал модели из мячей и надувных шаров, а также разборные модели s- и p- орбиталей, выполненные из проволоки, окрашенной в различные цвета. По результатам работы со школьниками им сделан вывод [88], что при изучении явлений микромира нельзя ограничиваться только одним видом наглядных пособий, необходимо применять комплекс различных моделей и других средств наглядности.

Для лучшего усвоения учащимися материала о строении атомов и молекул С. Н. Дроздов рекомендовал использовать модели, изготовленные из мягкой медной или алюминиевой проволоки. С помощью изготовленного самими учащимися «проволочного остова тетраэдрической модели в виде петель, похожих на английские булавки» [40], предлагалось показывать строение наружней оболочки атомов инертных газов, галогенов, кислорода, азота, углерода, кремния, а также состав и строение молекул галогеноводородов, воды, аммиака, метана, кремниеводорода, ионов гидроксония и аммония, а также пространственную направленность сигма связей.

Ю. И. Булавин предлагал: «использовать механические и электрические устройства для приведения во вращение деталей, воспроизводящих различные формы электронных облаков» [12]. Из-за сложности такого оборудования и ограниченных возможностей такие модели не стали широко использоваться – для рассмотрения механизма образования связей необходимо рассматривать взаимодействия и изменения форм электронных облаков, приводящих к определенным формам молекул, а с помощью механически вращающихся деталей это представляется затруднительным.

С. С. Бердоносов [8] констатировал, что подход к объяснению строения даже простейших молекул (CH₄, NH₃, H₂O и др.), который традиционно используют в средней школе, мало нагляден и весьма сложен, основан на целом ряде искусственных допущений. Неудивительно поэтому, что добиться его понимания всеми учащимися в классе довольно трудно.

Рассмотрим, например, как обычно на уроках химии объясняют строение молекулы такого широко распространенного вещества, как метан CH₄. Экспериментально давно установлено, что строение этой молекулы тетраэдрическое. Из шести электронов атома углерода два находятся на первом энергетическом уровне; они прочно связаны с ядром атома и не участвуют в образовании химических связей атома углерода с атомами водорода. Оставшиеся четыре электрона атома углерода – это так называемые валентные электроны. Они находятся на втором энергетическом уровне и размещаются на s- и p-орбиталях. На s- орбитали находятся два электрона с противоположно направленными спинами, а на p-орбиталях в соответствии с правилом Хунда – два электрона два электрона с одинаковыми спинами. Учащимся также сообщают, что формы s- и p-облаков различны. Теперь, когда все это учащиеся запомнили, им нужно понять, почему же в молекуле метана все связи C–H одинаковы и направлены от центра атома углерода к вершинам тетраэдра. Таким образом, «начинается целая цепочка допущений: сначала принимают, что два спаренных электрона второго уровня, во-первых, распариваются; во-вторых, один из электронов переходит с s-подуровня на p –подуровень, который обладает большей энергией. Оба этих процесса, как сообщают учащимся идут с затратой энергии. Таким образом, валентными являются один s– электрон и три p- электрона. Формы s- и p – электронных облаков различны, а объяснить реальное строение молекулы метана можно лишь из предположения, что все они одинаковы. Выдвигается новое (по-моему, наиболее сложное для понимания учащимися) допущение: все четыре валентные электрона возбужденного атома углерода образуют новые, так называемые гибридные (смешанные) орбитали. Далее принимают, что четыре гибридные sp³ – орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра» [8, с. 16].

В своей работе С. С. Бердоносов пишет: «Полагаю, что приведенное выше объяснение слишком условно и весьма сложно. А нет ли более простого? Оказывается, есть. Американские исследователи Р. Нейхолл и Р. Гиллеспи в 1957 году предложили модель, позволяющую объяснять строение молекул без использования понятия о гибридизации. Р. Гиллеспи написал несколько научных статей, посвященных этой модели и ее использованию при проведении занятий, особенно на начальных стадиях изучения химии. На русский язык переведена его книга «Геометрия молекул». Согласно модели Гиллеспи электроны расположены по оболочкам и орбиталям с учетом принципа Паули и правила Хунда, но при этом принимают, что никаких s-, p- и других подуровней нет. Согласно модели Гиллеспи, электроны, расположенные на одной орбитали и имеющие противоположные знаки спин, взаимного отталкивания не испытывают. Все связывающие электронные пары расположены на одинаковом расстоянии от ядра. Так как электроны испытывают взаимное отталкивание, то электронные пары располагаются на максимально возможном при данном расстоянии от ядра удалении друг от друга. Принцип минимального отталкивания электронных пар - важнейший в представлениях Гиллеспи, его легко объяснить учащимся» [8, с. 17].

С помощью модели Гиллеспи можно объяснить строение не только молекул бинарных соединений с простыми связями, но и веществ значительно более сложного состава, имеющих двойные и тройные связи. Нужно отметить, что двойную связь в рамках представления Гиллеспи рассматривают как образованную двумя связывающими электронными парами (никаких понятий о - и - связях при этом не вводят).

Подход Гиллеспи может быть использован для объяснения и предсказания строения значительно более сложных молекул. Разумеется, у него есть и ограничения и недостатки. Например, трудно сформулировать общее правило, по которому можно заранее предсказать число электронных пар на оболочке атома. Однако на начальных этапах изучения химии целесообразно использовать то приближение, которое достаточно просто и наглядно, и в то же время позволяет с достаточной степенью достоверности предсказывать строение молекул. И здесь преимущества представлений Гиллеспи очевидны [8, с. 20–21].

Наиболее прочно усваивается информация, получаемая на основании самостоятельного наблюдения или исследования. Поэтому в педагогическом процессе предпочтение должно отдаваться таким моделям, которые позволяют вовлечь обучаемых в самостоятельную познавательную деятельность. Самостоятельная работа - это форма проявления соответствующей деятельности памяти, мышления, творческого воображения при выполнении учеником учебного задания, которое, в конечном счете, приводит его либо к получению совершенно нового, ранее неизвестного ему знания, либо к углублению и расширению сферы действия уже полученных знаний [85]. Моделирование тоже может быть одним из видов самостоятельной работы. Например, моделирование химических соединений с заранее заданными свойствами или установление геометрических форм молекул по их структурным формулам с оценкой их возможных химических свойств. Для таких работ требуются специализированные наборы для моделирования атомов и молекул, использующиеся в качестве раздаточных. В таком виде моделирование является методом научного исследования.

1.3. Традиционные модели атомов и молекул, используемые в преподавании естественнонаучных дисциплин.
Программа по химии для средней школы предусматривает использование в учебном процессе масштабных и шаро-стержневых моделей молекул, динамических и статических моделей химических производств. Использованию моделей на уроках химии посвящен ряд работ методистов – химиков [8, 9, 10, 12, 20, 23, 36, 37, 39, 40, 43, 55, 57, 70, 71, 72, 73, 79, 85, 88, 107, 132, 133, 138].

Структурные формулы веществ, с которыми учащиеся начинают знакомиться уже на первоначальном этапе изучения химии, отражают лишь последовательность соединения атомов в молекуле. Понятие о пространственном расположении атомов в молекуле может быть сформировано на основе шаро-стержневых моделей, показывающих размеры углов и направления связей. В школьном курсе химии в качестве материальных моделей используются наборы атомов со стержнями для составления моделей молекул. Также атомы изображаются в виде шариков со стержнями в комплектах кристаллических решеток алмаза, графита, поваренной соли, оксида углерода, магния, меди, йода, льда. Они хорошо передают взаимное расположение атомов и направление связей, но, к сожалению, создают совершенно неправильное представление о заполнении пространства «внутри» молекул. Может возникнуть представление, что органическая молекула или кристаллическая решетка напоминает ажурный каркас, что между атомами существует большое незаполненное пространство. В действительности это не так. В ионных кристаллах ионы расположены по принципу плотнейшей упаковки, а в соединениях с ковалентной связью электронные орбитали перекрываются друг с другом [55, с. 55]. Объемные (масштабные) модели дополняют представление учащихся о размерах и различной форме атомов, сплющенных в результате взаимодействия электронных оболочек, а также знакомят школьников с формой молекулы в целом [28]. В качестве раздаточных используются наборы для составления объемных моделей молекул (по Стюарту) [84]. Для изготовления моделей молекул по Стюарту-Бриглебу рекомендуется даже использовать пластилин и спички [77], чтобы изготавливать шарики диаметром, отвечающим радиусу атомов по Ван-дер-Ваальсу. Но эти модели не объясняют причин и способов образования тех или иных видов связей, а моделируют формы молекул, не демонстрируя самих процессов формообразования. Такие возможности не заложены в данных моделях, так как в них не изображаются отдельные электроны, составляющие электронную оболочку. В этом смысле такие модели мало информативны.

Учащимся объясняют, что в атоме электроны окружают ядро и их расположение не хаотичное, а регулярное. Оно характеризуется определенными энергиями связи электронов в атоме. Но как взаимно расположены электроны в атоме вокруг ядра? Схема распределения электронов существует в виде таблицы химических элементов, а моделей, создающих ясный образ каждого атома нет.

Электроны имеют магнитные свойства и взаимодействуют между собой в атоме. Это схематически показывается разнонаправленными стрелочками в квадратиках и объясняется спаренностью электронов в оболочках. Но в атоме взаимодействие электронов не ограничивается только взаимодействием пар электронов. Электроны объединяются в оболочки, некоторые из которых являются особенно устойчивыми. В таком случае, должно иметь место взаимодействие электронов в оболочках, характеризующее их степень устойчивости. Как объяснять и демонстрировать взаимодействие электронов в оболочках, не имея простой и наглядной модели электрона в электронной оболочке?

При изучении окислительно-восстановительных реакций используются модели - аппликации на магнитной основе, фишечные модели, где электроны изображаются кружочками или фишками. Это чисто символическое изображение, иллюстрирующее арифметический подсчет валентных электронов, определяющих виды связи. Эти модели просты как «счетные палочки», но этим их достоинства ограничиваются. Они представляют собой лишь схему, далекую от создания образа моделируемого объекта. В отсутствие образа нет наглядности. Наглядность выступает как возможность и способность оперировать чувственными образами, представлениями. Образная модель является посредником между чувственно воспринимаемыми объектами действительности и смыслом, значением, понятой их сущностью [71].

Для объяснения образования химических связей используется теория молекулярных орбиталей, которая изображает электроны в виде облаков, или орбиталей. Для изображения форм электронных орбиталей используются простые образы: шара, объемной восьмерки. Но для образования химических связей эти формы должны изменяться: должна произойти гибридизация и видоизменение этих форм, что позволяет объяснить образование нескольких, эквивалентных по характеру связей [126]. При этом изучаются только простейшие s- и p- формы орбиталей, а в атоме их может существовать больше. Эта информация сложна для восприятия учащимися и фрагментарна. Поэтому она лучше подходит для углубленного изучения химии, а не для базового. Фрагментарность заключается в том, что формы орбиталей вводятся без обоснований, а сложные формы вообще не изучаются. Формы орбиталей и способы их взаимодействий являются синтетическими и вводятся декларативно, так как в программу обучения не входят сложные квантово – механические объяснения возникновения таких форм. Эти формы являются результатом адаптации научных знаний – квантовой физики и химии. Такие формы орбиталей подобраны, исходя из предполагаемого равенства количества собственных решений уравнения Шредингера в виде осесимметричных функций, числу осей симметрии электронной оболочки, вдоль которых ожидается распределение электронной плотности. Без изучения основ квантовой физики и химии даже простые формы орбиталей являются сложными для восприятия. Почему такие простые формы как шар или объемная восьмерка могут оказаться сложными для восприятия? Потому что учащиеся изучают закон Кулона и знают, что взаиморасположение зарядов «+» и «» характеризуется жесткой силовой зависимостью от расстояния между ними. А форма орбитали такова, что отрицательно заряженный электрон может быть локализован на различном расстоянии от положительно заряженного ядра, не изменяя своего энергетического состояния, не излучая. Как избежать явного противоречия с классической электродинамикой без углубленного изучения квантовой механики?

С точки зрения дидактики теория молекулярных орбиталей (далее МО) имеет ряд недостатков, которые создают скорее помехи обучению, нежели поддержку и объяснение. Например, П. В. Бородин отмечает: «методические основы изучения электронного и пространственного строения метана, этилена и ацетилена разрабатываются с момента введения этих вопросов в программу средней школы. Однако значительная часть выпускников школ имеет в этой области поверхностные, формальные знания, что заставляет учителей химии, ученых – методистов, преподавателей вузов разрабатывать новые подходы к изучению этого материала» [11, с. 40]. Модели орбиталей являются идеальными - трудно изготовить их материальные модели из-за разнообразия форм: 2 s-электрона представляются в виде сферы, 6 p-электронов в виде объемных восьмерок, не считая форм их гибридизаций. Обзор журналов «Химия в школе» за последние два десятка лет (с 1980 года) показал, что попытки представления электрона в виде наглядных образов форм электронных облаков предпринимались часто [9, 12, 26, 40, 64, 107, 132, 135, 141].

Как отмечено С. Н. Дроздовым [40, с. 52], из практики преподавания химии известно, что часть учащихся даже 10 класса недостаточно хорошо представляет пространственное расположение атомов в молекуле при образовании ковалентной связи, форму молекул и другие элементы строения вещества. Для лучшего усвоения учащимися материала о строении атомов и молекул веществ им была разработана тетраэдрическая модель электронных орбиталей из проволоки. Дидактический материал к магнитной доске был разработан в виде карточек с изображениями символов и знаков, наклеенных на плотную бумагу, с обратной стороны которой крепилась магнитная вставка [108, с. 43]. В [132, с. 43] предложены рисунки, являющиеся дополнением к приведённым в стабильном учебнике [126]. Эти работы являются свидетельством не только дефицита наглядности в преподавании данного вопроса, но и его сложности. А как отмечалось в [64, с. 41] при введении понятия о гибридизации очевидна необходимость различных средств наглядности. Из–за неопределенности форм орбиталей 10 d- и 14 f- конфигураций модель является незаконченной и не может применяться для моделирования электронной структуры сложных атомов. Да и для простых атомов условия перекрывания орбиталей являются весьма сложными [112]. Кроме того, форма орбиталей переменна: для объяснения форм молекул даже на основе простого атома - углерода приходится вводить понятие гибридизации их между собой. Оно вводится как естественное следствие конкретизации форм электронных оболочек, чем ещё более усложняет модель электронного строения атома. Сложные эволюции электронных оболочек характеризуют простые по строению атомы второго периода. А что же происходит в сложных атомах? Как расположить различного вида орбитали вокруг одного ядра сложного атома, в котором их должно быть около сотни? С используемыми в настоящее время моделями это сделать невозможно. А демонстрация строения атомов изучаемых веществ необходима. Например, при изучении явлений ферромагнетизма веществ, составленных атомами железа, кобальта, никеля и прочих, или при рассмотрении строения таких сложных атомов, как радиоактивного газа радона (₂₂₂Ra ⁸⁶), или урана (₂₃₈U⁹²), на свойствах которого основана ядерная энергетика, или искусственно синтезированного элемента Нобелия (₂₅₅ No ¹⁰²).

В то же время известно, и на этом акцентируется внимание, что свободные электроны одинаковы и неразличимы. В такой ситуации закономерно возникает вопрос: не следует ли изучение метода МО осуществлять в классах с углубленным изучением химии или в качестве факультативного спецкурса?

Из-за неопределенности формы орбиталей затруднена и сравнительная демонстрация разницы ковалентных радиусов различных веществ. Традиционно образование ковалентных связей объясняется «перекрыванием электронных облаков атомных орбиталей двух атомов:  - «лобовое» и  - «боковое» [37]. Непонятно, чем мотивирован выбор таких обозначений. С дидактической точки зрения перенос буквенных обозначений из квантовой механики в школьный учебник представляет собой излишнюю, невостребованную информацию. Затруднение вращения вокруг линии комбинированной связи - и - может быть объяснено и без помощи этих обозначений, или с помощью моделей Р. Гиллеспи, в которых вообще нет разделения на - и - связи, а рассматривается взаимодействие связывающих электронных пары. При взаимодействии двух электронных пар вращение затруднено, что является очевидным при использовании моделей. Согласно модели Гиллеспи, все связывающие электронные пары расположены на одинаковом расстоянии от центра ядра. Объем, который занимает в пространстве каждая связанная электронная пара данного атома, одинаков для всех пар, а объем, занимаемый несвязанной электронной парой, больше [8, с. 17]. Из квантовой механики известно, что максимумы электронной плотности 2p- орбиталей расположены ближе к ядру, чем для 2s- орбиталей [67, с. 13]. Это означает, что модели Гиллеспи являются слабо информативными: с их помощью не предусмотрена демонстрация различий в расположении электронных пар. Желательно использовать для объяснения механизма образования связей такие модели, которые демонстрируют электронное строение оболочек взаимодействующих атомов точно, наглядно и без привлечения трудно объяснимой школьнику символики высшей математики, использующейся в расчетной части квантовой физики.

В основе всех вышеперечисленных недостатков изображения электронных оболочек атомов и молекул лежит противоречие между стабильностью элементарных частиц, составляющих атом, и переменной формой электронных орбиталей. Это противоречие является отражением истории становления атомистских воззрений тех времен, когда частички вещества называли корпускулами, и считали их неделимыми [105]. На современных моделях это противоречие, трактующееся уже как двойственность свойств электрона, углубляется и демонстрируется объемными моделями атомов (по Стюарту), используемыми в качестве раздаточного материала. Например, только для одного атома углерода в наборе используются несколько моделей различных форм: для четырех связей - под углами 109, для трех - под углами 120, и двух - под углом 180. И данного количества моделей недостаточно, так как есть соединения, в которых валентные углы отличаются от этих идеальных углов связи. Рациональным выходом из сложившейся противоречивой ситуации представляется использование новых моделей элементарных частиц, составляющих атом, которые должны сочетать в себе следующие качества: узнаваемость форм элементарных частиц и возможность объяснения с их помощью переменной формы электронных орбиталей, возникающих при образовании химических связей. А для этого необходимы универсальные модели, тем более что оболочки всех атомов состоят из одинаковых частиц - только из электронов. Такую модель и соответствующие ей методики использования необходимо создать.

Сами по себе традиционно используемые модели работоспособны и могут использоваться для определенных задач моделирования. Но фрагментарность моделируемых свойств, отсутствие между ними структурно-логических связей создает препятствия обучению и усложняет процесс усвоения информации. Неслучайно в качестве одной из основных трудностей, встречающихся при рассмотрении вопроса о химических связях, называется сформировавшееся у учащихся (вольно или невольно) представление об электроне как о шарике [127]. Следует дополнить список рекомендуемых моделей такими современными моделями, которые позволили бы связать воедино исторические модели атома, отражающие собой развитие знаний об атоме (Демокрита, Томсона, Резерфорда), модели, ставшие уже традиционными при изучении химии (шаростержневые, Стюарта – Бриглеба), модели, используемые в вычислительных научных методах - метод МО. Необходимо создание иерархичной системы моделей, в рамках которой могли бы быть построены различные модели и объяснены особенности строения атома, иллюстрируя в зависимости от необходимости определенные моделируемые стороны.

В соответствии с результатами обзора используемых в процессе обучения моделей становятся понятны трудности, которые испытывает учитель. Химические связи – это взаимодействие электронных оболочек атомов, а модели этих оболочек весьма неопределенные. Без этого, к сожалению, приходится констатировать отсутствие способа изображения и электронов, как самостоятельных частиц, и процесса объединения их в оболочки. А ведь именно количество и симметрия расположения электронов в оболочке атома определяют возможные виды и типы связей, формы молекул и кристаллов. Без демонстрации расположения электронов в оболочке затруднено объяснение свойств элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева; понятие сродства к электрону вводится декларативно, ненаглядно; имеются трудности с объяснением причин образования разных углов в соединениях с различными видами ковалентных связей. Обобщая, можно сказать, что затруднено объяснение тех явлений и процессов, где участвуют электроны атомных или молекулярных оболочек.

Существуют еще мысленно представляемые (нематериальные) модели атома: планетарная модель Резерфорда, сопровождаемая постулатами Бора, и квантово-механическая [77, с.185], [76, с.160]. Помимо недостатков парадоксального свойства планетарной модели (движение электрона в атоме противоречит законам электродинамики - для отсутствия излучения электрон должен покоиться в атоме относительно ядра) и невозможности создания материальных моделей, соответствующих квантово-механической модели атома, они имеют общий недостаток - они не совместимы между собой. Они имеют различную степень локализации частицы: точка – корпускула и «область вероятности расположения электрона». Это также создает трудности их использования.

Необходимое функциональное качество модели - это работоспособность (способность к выполнению своих функций). Модели должны не только создавать образ максимально близкий к нашим представлениям об объектах, но и иметь возможность использования для обучения и исследования свойств объектов. А для этого используемые модели (тем более составляющие единый комплекс) не должны быть взаимоисключающими, они должны быть совместимы друг с другом. Особенно это важно для обучения. В рамках различных дисциплин - в физике и химии используются разные модели электрона. Но для создания целостного знания у учащегося необходимо, чтобы эти модели не противоречили друг другу. Например, в химии электрон изображается облаком, а в физике он - и точка, и волна. Существующие модели практически несовместимы между собой.

Выводы к главе 1

Как показал анализ, проведенный в первой главе, при изучении строения атома модели используются часто. В соответствии с требованиями времени требуются простые и наглядные модели, обладающие широкими дидактическими возможностями, такими как наглядность, научность, адаптивность, перспективность. В связи с этим следует сгладить противоречие между научным знанием и учебным материалом.

1. Модели должны быть совместимыми между собой и различаться лишь степенью сложности, в зависимости от уровня решаемых задач. Это позволит избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания. В атоме электроны расположены регулярно, что характеризуется определенными энергиями связи электронов в атоме. Схема распределения электронов существует, что отражено видом таблицы химических элементов, а моделей, создающих ясный образ распределения электронов в каждом атоме нет. Необходимо сделать акцент на изучение строения электронных оболочек, иначе останется без обоснования периодичность свойств элементов Периодической системы Д. И. Менделеева и неясным электронное строение сложных атомов.

2. Традиционные модели нуждаются в пересмотре и изменении с учетом современных научных данных, в улучшении дидактических качеств, связанных с изменением подходов обучения. Модель и постулаты Бора следует отнести к историческим пройденным моделям атома. Назрела необходимость разработки и использования новых моделей элементарных частиц, составляющих атом, которые должны сочетать в себе такие качества как стабильность и узнаваемость форм элементарных частиц – электронов и одновременно возможность объяснения с их помощью переменного вида электронных орбиталей, возникающих при образовании различных видов химических связей.

3. Необходима систематизация моделей, позволяющая формировать взаимосвязанные комплексы моделей для укрепления междисциплинарных связей при изучении физики, химии, биологии. Желательно использовать универсальные модели электрона, применимые в различных разделах дисциплин естественнонаучного цикла. Этого можно добиться за счет упрощения моделей и оптимизации соответствующих курсов обучения.