химия. Российская академия образования институт содержания и методов обучения
 Скачать 0.77 Mb.
|
Изменением содержания обучения и ожидаемые результаты
Как было показано в главе 2, простые кольцегранные модели, в которых все электроны обозначаются кольцами, хорошо выполняют функции наглядных моделей. Кольцегранные модели электронных оболочек атомов и молекул используются для изучения строения веществ, их физических и химических свойств, а также для геометрической интерпретации и демонстрации механизма образования различных видов ковалентных связей. Это предоставляет нам возможность более рационально организовать занятия с использованием кольцегранных моделей по основным темам и разделам курса химии 8 – 11 классов, в частности при изучении следующих тем: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева; Строение атома; Химическая связь; Строение веществ; Общие свойства металлов; Основные классы неорганических соединений: Кислоты, оксиды, основания, соли; Органические вещества: предельные и непредельные углеводороды, ароматические углеводороды, спирты и фенолы, амины. Формы обучения традиционны и различны: процессы усвоения информации происходят через объяснение и демонстрацию учителем, через лабораторные фронтальные опыты и самостоятельные работы (лабораторные, практические и экспериментальные, коллективно - творческие). Кольцегранные модели могут быть использованы в качестве демонстрационных моделей, используемых учителем при объяснении строения атома и электронных оболочек, его составляющих. Однозначное соответствие в моделях колец электронам позволяет наглядно на доступном геометрическом уровне демонстрировать устойчивость именно тех электронных оболочек, которые определяют вид периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. В качестве примера представим деятельность учителя в случае демонстрации устойчивости электронных оболочек на схеме 3.1. Кольцегранные модели являются новыми и стали использоваться относительно недавно, поэтому большое внимание следует уделять иллюстративному материалу и интерактивной форме его подачи. При возможности демонстрацию кольцегранных моделей можно проводить после видео-просмотра фрагмента учебного фильма «Путешествие в Наномир», подготовленного студией «Центрнаучфильм» в 1994 году. В рекомендованном фрагменте этого фильма используются кольцегранные модели для рассмотрения строения атома и химических веществ. В школах, оборудованных компьютерными классами, фронтальные работы по теме «Строение атома» рекомендуется проводить в компьютерном классе. Для ознакомления и закрепления знаний об электронном строении атома рекомендуется провести одно или более компьютерных занятий с обучающей игровой программой «Глобус атома», состоящей из двух частей: первая знакомит учащихся со всеми возможными устойчивыми электронными оболочками атомов в виде кольцегранников, а вторая часть посвящена моделированию полного электронного строения любого атома. Разработаны также и демонстрационные компьютерные графические программы ознакомительного характера, изображающие электронное строение оболочек атома в виде кольцегранников. Схема 3. 1 Возможности комплекса с включением кольцегранных моделей при формировании понятия устойчивости электронных оболочек 
                 Кольцегранные модели могут быть изготовлены с помощью специальных наборов. Например, для изготовления демонстрационных моделей может использоваться набор для конструирования "Магеом". Для использования в качестве раздаточного материала на уроках химии и физики, затрагивающих вопросы электронного строения атома или соединений атомов лучше использовать набор «Кольцегранник» - прототип специализированного набора для использования на уроках химии: “Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул". С его помощью можно изготавливать наглядные модели атомных и молекулярных оболочек различных веществ. При отсутствии возможности видео-просмотра или проведения компьютерных занятий, а также с целью лучшего усвоения учебного материала в приложении 1 к данной работе помещена таблица, облегчающая ознакомление учителя со способами сборки и работы с кольцегранными моделями электронных оболочек атомов и молекул, собираемыми с помощью демонстрационного набора «Магеом». В приложении 2 помещён примерный перечень лабораторных и практических работ по неорганической и органической химии, проводимых с использованием кольцегранных моделей при изучении курса химии в средней школе, а также примеры нескольких раздаточных карт для учащихся и методические рекомендации для учителей, включающие ответы на контрольные вопросы раздаточных карт. Для проведения фронтальных работ по моделированию электронных оболочек атома рекомендуется использовать раздаточные наборы «Кольцегранник» и собирать двуцветные модели электронных оболочек. Также практические работы используются для изучения вопросов возникновения химических связей и образования молекул. Примерами могут служить фронтальные работы по моделированию простейших соединений воды, метана, а также практические и экспериментальные (приложения 2, 4). 3.2. Методические приёмы использования комплекса моделей с включением кольцегранных моделей для демонстрации и проведения практических работ по неорганической и органической химии. Новые кольцегранные модели нуждаются в сопровождении новыми методическими приёмами их использования для изучения строения вещества в средней школе. Для соблюдения преемственности в изучении строения вещества введение новых моделей в содержание должно осуществляться совместно с ранее известными знаниями в проблемно – исследовательском плане, чтобы учащимся стало понятно, что ранее используемые модели не объясняют всех свойств изучаемых объектов, а иногда и взаимно противоречат друг другу. Ранее в главе 2 (пункт 2. 3) были изложены требования и дана характеристика нового компонента комплекса – кольцегранных моделей. В целом состав комплекса представлен на схеме 3.2 и включает различные виды традиционных и новых моделей. На схеме показаны варианты комплекса разной глубины изучения темы: Сокращённый (для гуманитарных специальностей); Для изучения химии в средней школе; Для углубленного изучения. Цель деятельности методиста: опираясь на науку и обобщение передового опыта, помогать учителю правильно строить педагогический процесс, вооружать эффективными средствами обучения и воспитания; результат деятельности: методические рекомендации, предписания, разработки [102]. Схема 3.2 Состав комплекса моделей атомов и молекул д Скелет-ные и шаро-стержне-вые Масштаб-ные Кольце-гранные Орбитальные      1 2 3      Наборы средств модельной наглядности   Набор моделей атомов со стержнями для составления моделей молекул Набор для составления объёмных моделей молекул (по Стюарту – Бриглебу) Набор для моделирования строения атомов и молекул «Кольцегранник» Набор орбитальных моделей Пособия на печатной основе Экранные средства Видеозаписи Компьютерные модели и программы Таблицы Схемы, плоские аппликации      ля изучения строения вещества в курсе химии средней школы Рассмотрим методические приёмы использования комплекса моделей на примере изучения строения веществ. Примерное тематическое планирование содержания материалов программы раздела «Строение вещества. Химическая связь» представлено в таблице 3.2. Таблица 3.2 Примерное тематическое планирование содержания материалов программы раздела «Строение вещества. Химическая связь»
Подробнее рассмотрим некоторые темы принципиально важные для формирования полноценного и взаимосвязанного знания. Желательно хотя бы кратко познакомить учащихся с эволюцией развития знаний о строении атома. Это можно осуществить с помощью таблиц и моделей (экранных и материальных - демонстрационных). Таблица 1. «Исторические модели строения атома» серии 2. «Строение вещества» (приложение 4) кратко отражает исторические этапы развития знаний о строении атомной системы. Исторические модели строения атома Для рассмотрения этого материала целесообразна следующая последовательность. Первой в таблице 1 приложения 4 показана модель атома Джозефа Томсона, согласно которой атом имеет сложную структуру, но неопределенную, вроде «булки с изюмом», где изюм – отрицательно заряженные частицы, внедренные в положительно заряженное «тесто». После экспериментов Эрнеста Резерфорда по рассеянию частиц на тонкой металлической фольге, стало ясно, что в атоме есть положительно заряженное ядро. Оно имеет очень малый размер, но почти вся масса атома (больше 99.9 %) сосредоточена в ядре. Основной объём атома занимают отрицательно заряженные частицы (электроны). По сравнению с частицами ядра – «нуклонами», электроны очень лёгкие – почти в 2000 раз легче, за что названы «лептонами». Заряды электрона («лептона», имеющего отрицательный заряд) и протона («нуклона», имеющего положительный заряд) имеют разные знаки, но равны по величине. Отрицательный заряд окружает положительное ядро и делает атом нейтральным, если эти заряды равны (если число протонов в ядре равно числу электронов в атоме). Нильс Бор предложил «планетарную» модель атома: отрицательные частицы малого веса и малого размера движутся по орбитам вокруг тяжелого положительного ядра (как планеты в солнечной системе вокруг солнца). Движущиеся заряды по правилам электродинамики должны излучать, а значит, теряя энергию на излучение, быстро «упасть на ядро», притянувшись к нему. Так как решить этот парадокс невозможно, Бором были сформулированы постулаты (неочевидные утверждения, которые пока не могут быть доказаны, но необходимы для работоспособности модели). Бор постулировал, что есть некоторое количество таких стационарных орбит, на которых электрон находиться без излучения произвольно долгое время, а излучает (или поглощает) энергию порциями только при переходах с одной такой орбиты на другую. Позже была предложена другая модель, не требующая постулатов. Луи де Бройль предложил мыслить электрон колеблющейся струной, замкнутой в кольцо. В кольце могут возникать целые количества стоячих волн. Такая «волновая» модель электрона, занимающего весь объём атома, не требует объяснений стабильности атома. Большой и лёгкий электрон не может упасть на маленькое и тяжелое ядро, находящееся в его центре. А энергия связи электрона с ядром связана с количеством стоячих волн, уложенных в кольцевой струне. Движение распределенного заряда электрона по сложной, но замкнутой траектории не приводит к излучению энергии до тех пор, пока не будет меняться количество длин волн, уложенных в кольце. Само число длин волн, уложенных в кольце, объясняет целочисленный характер главного квантового числа – числа, связывающего величины энергий связи электронов в атоме на разных энергетических уровнях. Нильс Бор, как директор института имел большой общественный вес и огромный опыт преподавательской работы. Вероятно, поэтому в учебниках закрепилась именно «планетарная» модель, сопровождаемая постулатами, а модель де Бройля легла в основу волновых и квантово-механических представлений о строении атома и элементарных частиц, его составляющих. Эрвин Шредингер эмпирически подобрал уравнение, похожее на уравнение колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи электронов в атоме в разных состояниях (на разных энергетических уровнях). В этой математической модели уже не рассматривается динамический характер устройства атома. И даже не рассматривается вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определенные энергетические уровни и излучают (или поглощают) энергию при переходах на другие уровни. Этой численной моделью пользуются для квантово-механических расчетов величин энергий связи. Также с её помощью определяют плотность распределения отрицательного заряда вокруг ядра или системы ядер, области повышенной или пониженной электронной плотности. Для придания наглядности таким понятиям была создана теория молекулярных орбиталей и придумано несколько конкретных форм орбиталей: шар, объёмная восьмерка, двойная объёмная восьмёрка и тройная объёмная восьмёрка (s, p, d, f). Теорию и модели молекулярных орбиталей (сокращенно МО) используют в химии, а упрощенные модели в школьном курсе химии. Несмотря на упрощенный характер форм орбиталей: s – шар, p – объёмная восьмерка, орбитальными моделями пользоваться сложно. Орбитали постоянно изменяют свою форму и гибридизируют между собой разными способами (sp, sp2, sp3,...), образуя разные виды связей (сигма, пи, смешанные виды). При этом высшие формы (d, f) и их гибриды в школе только упоминают, без рассмотрения. Кроме того модели страдают слабой наглядностью при объяснении взаиморасположения электронов в сложных атомах, а это является необходимым для формирования дееспособного знания. Правильное представление о количественном распределении электронов в атоме важно для объяснения строения атома, демонстрации распределения электронов по оболочкам (или уровням, характеризующимся определенной энергией связи в атоме), тем более что Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева построена на основе существования устойчивых электронных оболочек. Их устойчивость – основа периодического закона. Для наглядного объяснения количественного распределения электронов по слоям (устойчивым оболочкам) в атоме используется кольцегранная модель Кеннета Снельсона. Устойчивость электронных оболочек демонстрируется учителем с помощью кольцегранных моделей, в которых все электроны обозначены кольцами двух цветов (либо двухцветными кольцами, имеющими магнитные свойства). Цвет колец, обозначающих электроны, позволяет обозначить различия электронов, связанные с наличием внутреннего свойства вращения, или «спин»: «+» или «–» (или кольца, имеющие свойства кольцевых магнитов). Кольцегранные модели отличаются однотипностью изображения электронов и очевидностью взаимного расположения электронов в оболочке. Также возможно одновременное изображение всех электронов атома или сложной атомной оболочки и демонстрация равномерного распределения электронов в оболочке (с учетом чередования их свойств внутреннего вращения – «спин»). Из двух кольцевых магнитов получается модель первой устойчивой оболочки, из восьми – модель второй завершенной оболочки. Аналогично получаются модели остальных устойчивых оболочек (из 18 и 32-ух электронов). Для объяснения учебного материала по темам, связанным с изучением основ квантовой механики, в частности целочисленного главного квантового числа и связанной с ней кратностью энергий связи электрона в атоме используется волногранная модель, аналогичная кольцегранной, но содержащая в каждом электроне - кольце целое число волн (аналогично модели де Бройля). Приведённая здесь подробная методика преследует понимание учащимися развития представлений о строении атома, в частности: а) о каждом периоде развития научных представлений, отражающих современный уровень развития знаний; б) о формировании научных методов моделирования и их задачах. Как отмечал Пидкасистый П. И. [85 стр. 87], «овладеть научным понятием можно на трех уровнях: описание явления, его объяснение и управление им». Сформировать у учащихся понятия о строении вещества и привести их в систему - значит выполнить лишь начальную часть учебно-педагогической задачи. Полное ее претворение в жизнь заключается в том, чтобы выработать у учащихся умение применять приобретенные знания в процессе последующего изучения курса химии, добиться того, чтобы усвоенные теоретические знания стали научным методом дальнейшего познания. Этому способствует организация экспериментальных работ исследовательского и проблемного характера. Формой проведения таких занятий является не только самостоятельная, но и коллективная содеятельность учащихся и педагога. Самым результативным для усвоения информации является проведение модельного эксперимента. Модельный эксперимент выступает как учебная форма научного познания. Для проведения модельного эксперимента можно использовать специально разработанный раздаточный набор для моделирования форм атомов и молекул в виде кольцегранников. При использовании набора для моделирования кольцегранных оболочек атомов и молекул используются примерно следующие рассуждения. В атоме каждое отрицательно заряженное кольцо (электрон) стремится занять такое положение, чтобы ядро находилось в его центре. Но если электронов более одного, то это становится невозможным, и они располагаются вокруг ядра, преимущественно стремясь оказаться равноудаленными от ядра. При таком способе моделирования электронные оболочки выглядят многогранниками, грани которых представлены кольцами, за что и названы “кольцегранниками”. В этих фигурах число колец соответствует количеству электронов на оболочке. Кольцегранники из 2, 8, 18 и 32-х колец являются моделями самых устойчивых электронных оболочек (рис. 2, 3, 4, 5). Они близки к сферической форме и отличаются наибольшим числом осей симметрии: кольца располагаются в гранях взаимно пересекающихся правильных многогранников (так называемых тел Платона). Для демонстрации симметрии и устойчивости модели электронных оболочек желательно делать, используя два контрастных цвета, например, красный и синий. Таким образом, можно проводить ознакомление с темой «Строение атома». В помощь учителю и учащимся предлагается таблица 2. «Строение атома» серии «Строение вещества» (приложение 4). Рассмотрим пример работы учителя с этим компонентом комплекса. Строение атома В центре таблицы 2 приложения 4 изображена модель атома: ядро атома имеет малый размер и состоит из протонов (положительно заряженных частиц, обозначаемых p+) и нейтронов (частиц, заряд которых равен нулю и обозначаемых n0); радиус ядра атома чрезвычайно мал (он может составлять одну стотысячную радиуса всего атома), а масса составляет больше 99.9 % от массы атома; основной объём атома занят электронными оболочками, составленными из различного количества электронов (частиц, имеющих отрицательный заряд и обозначаемых e¯); электронные оболочки располагаются слоями вокруг ядра атома. Сопоставление размеров атома и его ядра должно привести учащихся к убеждению о сложном строении его электронных оболочек. Строение атома изучается в школьном курсе физики. Межпредметные связи способствуют формированию целостных представлений о предмете. Но, если в курсе физики основной акцент ставится на ядро атома, то в курсе химии основное внимание уделяется электронным оболочкам. Несмотря на чрезвычайно малую массу по сравнению с массой ядра, именно электронные оболочки, особенно вид и форма внешней оболочки, определяют химические свойства атома, а также формы молекул и кристаллов. Поэтому правильное представление о взаиморасположении электронов в атомах, и особенно на внешней оболочке, является необходимым для формирования полноценного знания. При объяснении строения атома важно показать не только распределение электронов по атомным оболочкам (или уровням, характеризующимся определенной энергией связи в атоме), но и объяснить закономерности их взаиморасположения, которые являются общими не только при формировании атомной, но также и молекулярных оболочек. Каждый элемент в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (общий вид обозначения приведен в левом верхнем углу таблицы) характеризуется зарядовым числом – Z (количество протонов в атоме) и атомным числом – A (суммарное количество протонов и нейтронов), а также положением в таблице, определяемым видом и степенью завершённости его электронных оболочек. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева построена на основе существования в атоме устойчивых оболочек. Основа периодического закона – особенная устойчивость некоторых электронных оболочек. Рассмотрение электронного окружения ядра атома целесообразно начать с электронных схем строения атома с цифровыми обозначениями количества электронов на каждой оболочке. Для наглядности оболочки пронумерованы на изображении модели атома в разрезе и на электронных схемах атомов под моделью, приведенных в качестве примера последовательного расположения оболочек в разных атомах. Демонстрация строения электронных оболочек проводится учителем с помощью кольцегранных моделей. В моделях кольца обозначают электроны оболочки. Учитель либо демонстрирует уже собранные модели, либо моделирует образование электронной оболочки, предлагая ученикам фронтальную работу по моделированию оболочек вслед за учителем. Тогда плоские изображения моделей на таблице становятся более понятными учащимся и облегчают дальнейшее моделирование более сложных электронных структур молекул. Далее учитель снова обращается к демонстрационной таблице. В кольцегранных моделях могут использоваться магнитные кольца; кольца немагнитные, но обозначающие собой кольцевые магниты своей расцветкой (красно-синие); либо кольца разных двух цветов. В последнем (самом распространённом случае) разный цвет колец обозначает два варианта расположения электронов в оболочке, связанные с наличием у электрона свойства внутреннего вращения, или «спин»: «+» или «–». Понятие спин (или внутреннее вращение) электрона связывается с вращением заряда электрона по кольцу либо по, либо против часовой стрелки, или с направлением магнитных силовых линий от южного к северному магнитному полюсу внутри кольцевого магнита (или от «+» к «–»), что традиционно обозначается в моделях красным и синим цветом. Вектор спин обозначается значком s и показан стрелкой, перпендикулярной плоскости кольца и выходящей из его центра. Направление вектора спин определяется в зависимости от направления движения заряда по кольцу. Эта информация не является сложной для понимания учащимися, поскольку известна из курса физики: направление вектора спин определяется по правилу буравчика, но в обратную сторону, так как движение отрицательного заряда эквивалентно движению положительного заряда в обратную сторону. На таблице это показано схематически и выделено цветом колец (вверху справа). Кольцегранные модели демонстрируют формирование строго определенных электронных оболочек в атоме. Из колец двух цветов (или двуцветных колец, расположенных разными цветными сторонами к ядру и от ядра) возможно построение определенного количества кольцегранников, в которых соприкасаются кольца только разных цветов. Наиболее симметричные из них являются моделями завершенных, или устойчивых электронных оболочек. Они изображены на таблице по возрастанию количества электронов. С помощью кольцегранных моделей показываем устойчивость электронных оболочек, объясняющих периодический закон и Периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева. Кольцегранные модели отражают полное электронное строение атома. С их помощью отвечаем на вопрос, почему на устойчивых оболочках расположено именно такое количество электронов. Новым дидактическим качеством кольцегранных моделей является не только демонстрация устойчивости определенных электронных оболочек в атоме, определяющих вид Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, но возможность проведения модельного эксперимента для проверки их устойчивости. Кольцегранные модели позволяют проводить модельный эксперимент по определению и проверке количества электронов, составляющих устойчивые оболочки. Существенно облегчает усвоение материала использование компьютерных средств, в частности ознакомительных или обучающих компьютерных программ, с которыми можно проводить занятия в компьютерном классе. Например, обучающая компьютерная графическая программа “Глобус атома”, которая содержит элементы игры и предназначена для использования в 8-10 классах средней образовательной школы. Обучающая компьютерная графическая программа “Глобус атома” состоит из двух частей. |