WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 | 3 |

«Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы ...»

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

ИНСТИТУТ СОДЕРЖАНИЯ И МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ

(ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ)

На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ Дмитрий Николаевич

Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул

для изучения строения вещества в курсе химии средней школы

13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (химии в общеобразовательной школе) (по педагогическим наук

ам) Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Научный руководитель:

член-корреспондент РАО, доктор педагогических наук, профессор Назарова Т. С.

Москва -

СОДЕРЖАНИЕ

4 – Введение Глава 1. Анализ содержания курса химии 8–11 класса по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами 14– наглядного моделирования.

1.1. Задачи и особенности изучения строения вещества в школьном курсе химии. 14– 1.2. Моделирование как метод научного исследования и его роль при формировании целостного знания о строении вещества. 27 – 1.3. Традиционные модели атомов и молекул, используемые в преподавании естественнонаучных дисциплин. 45 – Выводы к главе 1. 55 – Глава 2. Педагогико-эргономические требования к созданию и использованию моделей для изучения строения вещества. 57 – 2.1. Принцип научности и адаптация новых научных данных для обучения. Современные тенденции развития моделирования. 57 – 2.2. Педагогико-эргономические требования к моделям атомов и молекул и их новые дидактические возможности. 75 – 2.3. Характеристика комплекта моделей для изучения строения 104 – веществ.

Выводы к главе 2. 110 – Глава 3. Организация использования комплекса моделей при изучении строения вещества в курсе химии средней школы. 112 – 3.1. Методические возможности использования комплекса с включением кольцегранных моделей при изучении строения 3.2. Методические приёмы использования комплекса моделей с включением кольцегранных моделей для демонстрации и проведения практических работ по неорганической и 3.3 Экспериментальная проверка педагогической эффективности комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения Иллюстрации к тексту диссертации Список литературы Актуальность исследования В современной общеобразовательной школе осознанное понимание химических процессов требует глубокого изучения строения атомов, молекул, кристаллических структур тел и природы химической связи. Курс химии средней школы строится на основе атомно-молекулярной теории, закона Авогадро, законов постоянства состава и сохранения массы вещества, периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, теории строения веществ.

Формирование понятий о строении вещества относится к одной из наиболее важных задач в методике обучения химии.

Моделирование - это метод познания изучаемых качеств объекта через модели: действия с моделями, позволяющие исследовать отдельные, интересующие нас качества, стороны или свойства объекта или прототипа.

Учебные модели составляют существенный компонент учебнометодического комплекта, центральное место в котором принадлежит учебникам и учебно-методической литературе.

замещающие натуральные объекты и передающие их структуру, существенные свойства, связи и отношения.

Особенное значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. 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. 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.

Наибольший объем информации человек получает с помощью зрения, поэтому в первую очередь должны быть представлены «очевидные» модели.

Предпочтительнее, чтобы они были ещё и осязаемые, то есть материальные.

Опыт многолетнего применения моделей в процессе обучения химии показал их большую роль в процессе обучения, эффективность воздействия с их помощью учителя на ученика. Необходимость использования наглядных моделей, продолжающееся их совершенствование и появление новых моделей обусловлены развитием химии как науки и продолжающимся развитием методики технологий обучения.

Существенным фактором, препятствующим созданию моделей, удовлетворяющих педагогико-эргономическим требованиям, является несовместимость современных научных представлений с большинством простых и наглядных образов, используемых в моделировании. Попытка адаптации научных данных к процессу обучения в школе приводит к созданию упрощённых моделей и связана с определенными погрешностями в отображении свойств. Фактически создание учебных моделей сводится к задаче оптимального выбора между моделями различной степени сложности и различной изобразительной мощности. С дидактической точки зрения, это неизбежно приводит к необходимости формирования комплекса взаимосвязанных моделей, описательные характеристики которого должны удовлетворять всем запросам наглядного моделирования.



Первая попытка систематизации учебного оборудования и ее обоснование с точки зрения специфики химической науки и дидактического принципа наглядности обучения была осуществлена А. А. Грабецким и К. Я. Парменовым в книге «Учебное оборудование по химии». Авторы делают вывод о том, что наглядные пособия должны применяться в процессе обучения продуманно, в определенной системе, что они ценны как важное дидактическое средство, помогающее достижению учебно-воспитательных задач.

Однако традиционно используемые модели не являются достаточными для формирования комплекса моделей для обучения. Выборочность моделируемых с их помощью свойств, взаимная несовместимость моделей и отсутствие между ними структурно-логических связей создает препятствия обучению и усложняет процесс усвоения информации. 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, или Полинга), модели, используемые в вычислительных научных методах (метод М.О.). 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.

Из-за сложности изложения основ квантовой химии в учебниках для восьмых и девятых классов не даётся необходимого разъяснения причин размещения электронов вокруг ядер, не рассматривается возможность определения числа электронов на энергетическом слое. Это затрудняет формирование представлений об электронном строении атомов, молекул, кристаллических тел. А это относится к основным задачам изучения курса химии, начиная с восьмого класса общеобразовательной школы.

Проблемы моделей и моделирования остаются актуальными при изучении периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И.

Менделеева: необходимо проводить демонстрацию моделей устойчивых электронных оболочек, которые определяют вид таблицы химических элементов. При изучении химических связей также необходимы простые образы взаимодействия атомов с образованием общей молекулярной оболочки. Такое явление должно сопровождаться наглядным образом, а не только символьным обозначением.

Необходимость в наглядных моделях столь велика, что в опыте школ изготавливают множество наглядных моделей для отображения электронных формул. Для демонстрации смещения электронов от одного атома к другому используются различные подходы: магнитная доска с изображением точки (электрона); коробочки с разноцветными фишками, обозначающими электроны, и кругами, обозначающими атомы различных веществ и ионов; набор из цветных пластмассовых фигур, изображающих различные виды электронных облаков, полусфер, обозначающих атомы или ионы на магнитной основе.

Вышеперечисленные и подобные им наглядные пособия эквивалентны рисованию электронных схем на доске. Отличие в том, что модели, оставаясь знаковыми, приобретают некоторые черты материальности – становятся осязаемыми и динамичными, но от этого их информационная ёмкость не повышается.

Актуальной проблемой является создание новых учебных моделей, аналогичных научным и обладающих дидактическими свойствами. Этой проблеме методисты уделяют большое внимание на всём протяжении совершенствования научных моделей. А. И. Шпак предлагал в восьмом классе в виде первой модели использовать электрон, рассматривая его расположение в пространстве, форму электронного облака [135]. С. Н. Дроздов рекомендовал для этой цели использовать модели, изготовленные из мягкой медной или алюминиевой проволоки [40].

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, что при изучении явлений микромира нельзя ограничиваться только одним видом наглядных пособий, необходимо применять комплекс различных моделей и других средств наглядности [88].

Ю. И. Булавин предлагал использовать механические и электрические устройства для приведения во вращение деталей, воспроизводящих различные формы электронных облаков [12].

С. С. Бердоносов, констатируя, 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, аргументированно предлагает использовать модели Р. Гиллеспи, которые весьма просты и позволяют объяснять строение не только молекул с простыми связями, но и веществ значительно более сложного состава, образующих двойные и тройные связи [8, с. 16].

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) приспособленностью к специфике учебного процесса. 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 должно приводить не к противоречиям, а либо к усложнению способа объяснения, либо, в крайнем случае, к потере моделируемой стороны объекта.

В целом появление различных моделей объясняется разным уровнем сложности моделируемых явлений и различными областями их применения.

Поэтому границы применения различных моделей обязательно должны пересекаться. 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. Совместимые модели, отличающиеся информационной ёмкостью, могут быть объединены в систему обучающих моделей, или образовать комплекс обучающих моделей, использование которого позволит избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания.

Проблема исследования заключается в противоречии между необходимостью информирования учащихся в соответствии с уровнем современного развития науки и малой информационной ёмкостью традиционных дидактических средств – моделей атомов и молекул; между потребностью внедрения недостаточной наглядностью, а часто и взаимной несовместимостью используемых моделей.

Объектом исследования является процесс изучения строения вещества с использованием моделей атомов и молекул в курсе химии средней школы.

Предмет исследования: теория и практика создания и использования комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы.

использования комплекса современных моделей атомов и молекул для изучения строения веществ, их физических и химических свойств.

Гипотеза исследования: если комплекс учебных моделей атомов и молекул, созданный с учетом современных тенденций моделирования на основе традиционных и новых моделей, будет отвечать требованиям высокой информационной ёмкости, обладать широкими дидактическим возможностями и использоваться для внедрения новой формы обучения – модельного эксперимента, то это будет способствовать: формированию у учащихся целостного и осознанного знания о строении вещества; пониманию свойств веществ; углублению и долговременному сохранению знаний; укреплению междисциплинарных связей и созданию единой научной картины мира.

Задачи исследования 1. Провести анализ содержания курса химии 8-11 классов по вопросам моделирования.

2. Сформулировать педагогико–эргономические требования к моделям и сформировать единый комплекс взаимно непротиворечивых научно обоснованных учебных моделей (включающий в себя как традиционно используемые, так и новые кольцегранные модели), обеспечивающий достижение педагогических целей наиболее эффективными способами.

3. Разработать методические приёмы использования комплекса учебных моделей, включая кольцегранные, проверить возможность проведения с их эффективность его использования в школьной практике.

Методологической основой исследования являются фундаментальные использования различных видов средств обучения и их комплексов (А.А.

Грабецкий, Л.С. Зазнобина, А.А. Макареня, Е.Е. Минченков, Т.С. Назарова, С.Г.

Шаповаленко), методики обучения химии (О.С. Зайцев, Н.Е. Кузнецова, Л.А.

Цветков, Г.М. Чернобельская, И.Н. Чертков), психолого-педагогические и эргономические теории (В.В. Давыдов, В.П. Зинченко, В.М. Мунипов), результаты анализа научно-технических достижений в области создания моделей элементарных частиц, атомов и их химических соединений.

Методы исследования • Анализ педагогической, методической, химической, психологопедагогической литературы по вопросам теории познания и управления процессом усвоения знаний, проектирования и создания средств обучения по проблемам строения вещества, создания и использования моделей при изучении структуры вещества.

• Наблюдение и обобщение педагогического опыта школьных занятий, опыта передовых учителей и методистов, педагогических инноваций, а также опыта внешкольной кружковой работы учащихся.

эффективности влияния отдельных моделей и комплекса в целом на качество обучения.

Этапы исследования На первом этапе (1996-1998 гг.) определены проблемы и трудности, с которыми сталкиваются учителя и ученики при изучении строения вещества в курсе химии средней школы, связанные со сложным строением атома и насущной необходимостью знания закономерностей его строения. Определён способ решения проблем усвоения учебного материала и создания условий дидактическими возможностями.

На втором этапе (1999-2001 гг.) рассмотрены тенденции современного моделирования, педагогико–эргономические требования, предъявляемые к кольцегранные модели, и рассмотрены дидактические возможности комплекса.

На третьем этапе (2002-2003 гг.) определены приёмы и способы использования комплекса моделей для изучения строения вещества, составлены методические рекомендации и проверена педагогическая эффективность его использования.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования • Разработана концепция создания и использования комплекса учебных моделей атомов и молекул для изучения строения вещества, включающая основные и специфические педагогико–эргономические требования, предъявляемые к используемым моделям с учётом современных тенденций моделирования.

• Предложена серия новых учебных моделей, представляющих собой необходимые компоненты для создания комплекса средств наглядного моделирования, отвечающих современным педагогико-эргономическим требованиям.

• Разработаны методические приёмы использования комплекса моделей, включая кольцегранные, для обучения химии в средней школе, обеспечивающие эффективность усвоения знаний учащимися.

Практическая значимость результатов исследования • Сформирован комплекс учебных моделей атомов и молекул, включающий новые кольцегранные модели.

• Разработаны и освоены производством наборы кольцегранных моделей и созданы компьютерные графические программы для ознакомления с кольцегранниками.

• Подготовлена к внедрению в школу серия таблиц по теме «Строение вещества», разработанная на базе комплекса учебных моделей атомов и молекул с включением кольцегранных.

• Составлены методические рекомендации по использованию комплекса учебных моделей атомов и молекул в обучении.

• Проверена возможность использования новых моделей в обучении в виде компьютерно-графических программ обеспечивающих и контролирующих эффективность усвоения знаний учащимися при изучении вопросов строения вещества.

Глава 1. Анализ содержания курса химии 8–11 класса по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами 1.1. Задачи и особенности изучения строения вещества Исследуя проблему соотношения основ науки и учебного предмета, С. Г.

Шаповаленко выдвинул концептуальные идеи отбора содержания и построения учебного предмета [133]. Структурирование курса опирается на логику науки.

Как отмечал Л. А. Цветков, школьный учебный предмет – не микроcкопия вузовского курса, а дидактически переработанная система знаний и умений, отобранных из области науки [124, с. 17]. Поэтому для общеобразовательной школы из всей совокупности химических знаний можно отобрать научные факты, теории, наиболее общие и фундаментальные, усвоение которых позволяет понять роль химии в познании мира, развитии материального производства и открывает путь к более углубленному изучению любой химической дисциплины.

Основное содержание органической и неорганической химии составляют две концептуальные системы знаний: 1) учение о веществах, их составе и строении, о зависимости свойств веществ от состава и строения, позволяющее понять окружающий вещественный мир и проектировать на основе этих знаний построение новых нужных веществ и материалов; 2) учение о химических процессах, их закономерностях, позволяющее понять химические явления в природе и осуществлять химические реакции в целях практического получения мысленно конструируемых веществ и материалов. Эти учения должны, очевидно, составить костяк конструируемого учебного предмета [124, с. 19].

химических процессов невозможно без глубокого изучения строения атомов, молекул, кристаллических структур тел и природы химической связи. Курс химии средней школы строится на основе атомно-молекулярной теории, закона Авогадро, законов постоянства состава и сохранения массы вещества, периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, теории строения веществ.

Формирование понятий о строении вещества относится к одной из наиболее важных задач в методике обучения химии. Понятие – средство мысленного воспроизведения какого-либо предмета как целостной системы [35]. Иметь понятие о предмете означает владеть общим способом мысленного построения этого предмета. Понятие – обобщенная форма отражения в мышлении предметов и явлений действительности и связей между ними посредством фиксации общих и специфических существенных признаков и отношений. Процесс формирования систем химических понятий в обучении диалектичен по своей природе, поскольку отражает генезис, динамику и противоречия в развитии этой формы мышления [58].

Раскрывая особенности строения, теория строения веществ становится научной основой, методом познания природы веществ, их превращений.

систематичность его изложения, а усвоение знаний делает более глубоким и возможность сформировать систему понятий о химической связи, степени окисления и электроотрицательности элементов.

способствует также элементарное представление о спине. Использование его одновременно с изображением распределения электронов по электронным слоям способствует формированию понятий о строении многоэлектронных атомов, периодах и группах элементов, химической связи, степени окисления [79].

Из-за сложности изложения основ квантовой химии в учебниках для восьмых и девятых классов не даётся необходимого разъяснения причин и закономерностей размещения электронов вокруг ядер, не рассматривается энергетическом слое [135]. Это затрудняет формирование устойчивых представлений об электронном строении атомов, молекул, кристаллических тел. А это относится к основным задачам изучения курса химии, начиная с восьмого класса общеобразовательной школы. Кратко они сводятся к следующему:

первоначальной классификации веществ и создающий базу для восприятия строения вещества;

развить представления учащихся, полученные на уроках по физике о структурных элементах атомов, молекул, макроскопических тел;

показать особую роль электромагнитных взаимодействий в условиях дать современные представления о строении атомов, молекул и кристаллических структур твёрдых веществ;

сформировать образные представления о строении атомов, молекул и кристаллических структур твёрдых веществ;

показать все существенные признаки различных систем частиц, составляющих структуру и пространственное расположение частиц в веществе, а также силы их взаимодействия;

обеспечить экспериментальное объяснение изучаемых в школе физико-химических свойств веществ на основе их строения [135].

Характеризуя процесс развития химической науки, академик Н. Н.

Семенов пришел к выводу, что «химическое превращение, химическая реакция есть главный предмет химии». Однако для первоначального изучения химии курс, построенный на логике изучения химических процессов, мало пригоден. В какой бы связи та или иная химическая реакция не рассматривалась, чтобы понять ее сущность надо иметь представление о строении и свойствах исходных веществ и веществ, образующихся в ходе реакции. В основе формируемых знаний должно лежать понимание, отражение естественных взаимосвязей, существующих в природе. Что касается мира веществ, их взаимосвязь раскрывается через систему химических элементов – периодическую систему. Изучение периодического закона и периодической системы предполагает знание валентности элементов и важнейших классов неорганических соединений [124, с. 20].

Традиционно в методике обучения химии особое внимание уделяется валентности. Как отмечается в [78, с.27], формирование понятия «валентность»

осуществляют на примерах водородных соединений неметаллов. За основу берется тот факт, что один атом водорода никогда не присоединяет более одного атома. Свойство атомов присоединять определённое число других атомов называют валентностью и выражают её числом, сравнивая с валентностью водорода, взятой за единицу. Поэтому кислород в воде H2O двухвалентен, азот в аммиаке NH3 трехвалентен, углерод в метане CH четырехвалентен. При записи структурных формул черточками обозначают валентности атомов. Число черточек указывает на валентность атома в соединении. Используют также графические формулы. Отличие структурных от графических формул в том, что структурные формулы используют для изображения связей, как например, в H–Cl или H–O–H. А вот графическое изображение соединения Na–Cl не является структурной формулой, так как между ионами связи нет [123].

электронов в нейтральном атоме. Также рассматривается преемственность атомной структуры соседних по периоду элементов [78, с.112]. Учащиеся сопоставляют количественные изменения в строении атомов элементов от Li до F с качественными и делают вывод о том, что количественные изменения (число электронов, образующих внешний электронный слой) переходят в образованных элементами). Заряды ядер атомов (количественные изменения) возрастают монотонно, линейно. От Li до F металличность (качественная характеристика) постепенно сменяется неметалличностью, потом следуют резкие скачки: смена типичного неметалла – галогена фтора (F) инертным элементом неоном (Ne), смена инертного элемента типичным щелочным скачкообразно. Скачки объясняются в первом случае (F – Ne) завершением одного электронного слоя, во втором случае (Ne – Na) – появлением нового электронного слоя. Ознакомление с электронными конфигурациями атомов элементов первых трёх периодов должно способствовать углублению знаний о строении электронных оболочек атомов и пониманию закономерностей изменения свойств элементов в группах и периодах периодической системы [78, с.114].

Учение о химической связи – это одна из центральных проблем химии, решение которой прошло ряд этапов в своём развитии от представлений о наличии у атомов «петелек» и «крючочков», с помощью которых они соединяются, до знаний об электростатической природе химической связи.

Учащимся рассказывают о том, что на основе экспериментальных сведений ученые создают модели, отражающие строение веществ, и высказывают предположения (гипотезы) о механизме образования химических связей. При изучении механизма образования химических связей используют составление моделей. Должна иметь место модель, демонстрирующая взаимодействие электронов между собой. Учащимся объясняют, что объединяться могут лишь два электрона; при этом энергия таких спаренных электронов характеризуется меньшим значением, чем сумма их энергий до объединения в одно облако.

Спаривание электронов – процесс энергетически выгодный, при котором происходит выделение энергии. Эта энергия характеризует прочность химической связи [78, с.123].

Учебный предмет не может ограничиваться информационной функцией, в нем должна быть обеспечена деятельность учащихся по выполнению разного рода упражнений, применению знаний в различных ситуациях, иначе не будут достигаться развивающие цели обучения. Важным условием успешного формирования знаний являются самостоятельные работы учащихся. Это способствует развитию понятий и формированию методологических знаний.

Так, например, применение полученных знаний об электронном строении атомов позволяет лучше усвоить особенности заполнения электронами электронных слоев и более глубоко разобраться в причине существования больших периодов.

При изучении периодической системы могут быть самостоятельные работы различного характера. В процессе поиска ответов на задания учащиеся выявляют связи между местом элемента в периодической системе и особенностями строения атомов, между длиной периода и числом электронов, застраивающих электронные слои атомов.

В дидактическом плане сущность самостоятельной деятельности заключается не в том, что ученик работает без посторонней помощи учителя, а в том, что цель деятельности ученика несёт в себе одновременно и функцию управления этой деятельностью [85]. Интерес формируется в деятельности, и только в деятельности можно вырастить компетентного, квалифицированного специалиста [69].

Любые самостоятельные наблюдения должны быть целенаправлены.

Целенаправленное наблюдение включает:

4. Основные шаги, этапы наблюдения 6. Оформление результатов Для облегчения восприятия информации ее разделяют на части, или фрагменты. Поэтапное усвоение информации должно быть логически взаимосвязано. Разделение явления на компоненты, их поэтапное изучение, требует создания последовательного ряда взаимосвязанных образов – моделей. Дальнейшая обработка полученной информации с целью формирования общего целостного знания должны опираться на средства наглядности и на ранее полученные знания. В зависимости от подготовки учащихся, перед ними будут поставлены вопросы, требующие ответа на основе активного применения знаний в той или иной степени самостоятельных обобщений [125].

Применение самостоятельной работы учащихся с использованием таблиц со справочными сведениями о величинах атомных радиусов и об энергии ионизации при рассмотрении материала о физической сущности периодического закона и периодической системы позволяет более глубоко познать причину совпадения периодического изменения электронного строения атомов и периодического изменения свойств элементов.

При формировании понятия о скорости химических реакций и химического равновесия положительный эффект даёт демонстрация средств наглядности в следующей последовательности: химический эксперимент - модели - таблицы.

В процессе усвоения наиболее трудных вопросов темы особое значение играют модели [89].

Процесс познания сопровождается моделированием явлений, объектов, процессов. Роль моделирования особенно велика, если признать, что отражение внешнего мира сознанием и формирование представлений о нем само по себе уже есть модель. Поэтому сумму наших субъективных представлений о мире можно назвать мысленной моделью мира. Модель создает язык общения, который, опредмечивая содержание объекта исследования, позволяет выявить его сущность [36].

Значение моделей и частоту использования моделей в процессе обучения можно оценить, проведя анализ содержания курса химии 8-11 классов.

Результаты обзора, сделанного по программе курса химии для 8-11 классов средней общеобразовательной школы представлены в таблице 1.1.

асс кол-во часов) уро- моделируемые объекты, моделирования 8 6.Периодически 10 Распределение электронов Изображение электронов Периодическая четырех периодов. Группы электронных оболочках.

8 7.Химическая 6 Электроотрицательности Демонстрация 9 Повторение 8- 3 Обобщение знаний по курсу Демонстрация кислорода (7ч.) подгруппы кислорода. электронных оболочек.

9 3.Производство 1 Строение молекулы серной Электронное строение углерода (7ч.) элементов подгруппы в распределения металлов (3ч.) П.С.Х.Э.* Строение их химические свойства 9 7.Металлы 1-2 Взаимодействие кальция с Демонстрация 9 10. Обобщение 2 Периодический закон. Демонстрация знаний по курсу Строение вещества. электронного строения Периодическог вещества. Электронное электронов в атоме на о закона и строение атома. Строение химические свойства Менделеева в свете учения о строении химического взаимного влияния атомов электронных оболочек.

органических Распределение электронов различных видов связей.

соединений. в атомах элементов малых Образование валентных химических связей (15ч.).

10 2. Предельные 5 Характер химических Пространственное углеводороды связей и гомологический строение молекулярных Ароматические молекулы бензола. молекул (образование 10 6. Спирты и 3 Строение предельных Наглядные модели, фенолы (6-7ч.) одноатомных спиртов. иллюстрирующие 10 Повторение Строение и свойства Электронное строение 11 10. Амины (5ч.) 1 Молекула аммиака. Электронное строение 11 13. Обобщение Общие закономерности Электронное строение знаний по курсу образования связей, их молекул органических химии (2ч.) 11 Основы Общей 4 Строение электронных Изображение Периодический периодов. Особенности малых и больших П.С.Х.Э. Д. И. химических элементов электронных оболочек основе учения Периодическое изменение Влияние электронного 11 3. Строение 4 Химические связи: ионные, Демонстрация 11 6. Неметаллы 6 Строение простых веществ Строение электронных * - П.С.Х.Э.- сокращенно «Периодической системе химических элементов»

Изучая сведённый в таблицу учебный материал, можно сделать вывод, что модели используются практически непрерывно на протяжении всего курса химии. При изучении Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева необходима демонстрация моделей устойчивых электронных оболочек, которые определяют вид таблицы химических элементов. При изучении химических связей также необходимы простые образы взаимодействия атомов с образованием общей молекулярной оболочки. Каждое явление – захват электрона ионом или атомом, образование связей должно сопровождаться наглядным образом, а не только символьным обозначением смещения электронной плотности или рисованием стрелочек в квадратиках, обозначающих «распаривание электронных пар».

1.2. Моделирование как метод научного исследования и его роль при формировании целостного знания о строении вещества.

Моделирование - это метод познания интересующих нас качеств объекта через модели. Это действия с моделями, позволяющие исследовать отдельные, интересующие нас качества, стороны или свойства объекта или прототипа [34].

Под моделью понимают отображение фактов, вещей и отношений определенной области знаний в виде более простой, более наглядной материальной структуры этой или другой области [44].

Штофф В. А. [138] определял модель как мысленно представляемую или материально реализованную систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об объекте.

Моделью мы будем называть любую систему, мысленно представляемую или реально существующую, которая находится в определенных отношениях к другой системе (называемой обычно оригиналом, объектом или натурой) так, что при этом выполняются следующие условия:

1. Между моделью и оригиналом имеется отношение сходства, форма которого явно выражена и точно зафиксирована (условие отражения или уточненной аналогии).

2. Модель в процессах научного познания является заместителем изучаемого объекта (условие репрезентации).

3. Изучение модели позволяет получать информацию (сведения) об оригинале (условие экстраполяции).

Возможность обоснованных экстраполяций превращает моделирование в научный метод, сознательно (целенаправленно) применяемый в исследовании. Метод моделирования - это особая форма научного исследования [137].

Модель - это своеобразный “сплав” наглядности и понятия [33].

Модели определяются как учебно-наглядные изобразительные пособия, искусственно воспроизводящие натуральные объекты и передающие их структуру, существенные свойства, связи и отношения. При этом допускается условность в передаче свойств оригинала (объектов макро- и микромира):

уменьшение или увеличение размера, схематизация в передаче строения объектов, условность окраски и т.д. [73]. Общая классификация моделей приведена на схеме 1.1.

По характеру взаимодействия сторон оригинала модели могут быть разделены на структурные, показывающие внутреннюю организацию объекта, и функциональные, демонстрирующие принцип функционирования демонстрационные и раздаточные.

По способу замены оригинала модели подразделяют на материальные и идеальные, которые в свою очередь, разделяются согласно доминантным свойствам на группы (виды), показанные на схеме 1.2.

МОДЕЛИ

• Масштабные • Фланелеграф Бриглеба;

разборные.

По способу замены оригинала модели делятся на материальные и идеальные. Материальные (предметные) модели делятся на объемные и плоские (схематические). Идеальные или теоретические модели - это мысленные, знаковые или символические модели. Мысленные модели фиксируются с помощью языка, знаковых средств, чертежей, рисунков и других материальных средств выражения. Но от этого мысленные модели не становятся материальными, так как все операции над ними, все преобразования в них и изменения осуществляются субъектом. Необходимость наглядных моделей столь велика, что некоторые учителя изготавливают наглядные модели для отображения электронных формул. Смещение электронов от одного атома к другому изображается перемещением по магнитной доске кружочка с изображением точки (электрона) от значка одного атома к другому [107]. С этими же целями использовался фланелеграф [87].

Аналогичные самодельные модели предлагались и без привлечения магнитной доски в виде коробочки с разноцветными фишками, обозначающими электроны, кругами, окрашенными в различные цвета, обозначающими атомы различных веществ и ионов, а также вспомогательные элементы – полоски бумаги с нанесенными на них знаками «+», «=» и стрелки [66].

Для динамического моделирования различных видов химической связи и демонстрации электронного строения атомов химических элементов малых периодов предлагался набор из цветных пластмассовых фигур, изображающих различные виды электронных облаков, полусфер, обозначающих атомы, или ионы, и стерженьков на магнитной основе. Передвигая и закрепляя фигуры на магнитной доске, демонстрировалась динамика образования химических связей и электронное строение атомов [66].

Вышеперечисленные и подобные им наглядные пособия эквивалентны рисованию электронных схем на доске. Изменения заключаются в том, что модели, оставаясь знаковыми, приобретают некоторые черты материальности – становятся осязаемыми и динамичными. При этом дидактические возможности моделей повышаются незначительно, так как не изменяется их информационная ёмкость.

Дидактические свойства различных видов используемых в школе моделей сведены в таблицу 1.2.

Дидактические свойства различных видов моделей 1.1 Скелетные Демонстрация углов и направлений Актуальная модель 1.3 Масштабные Масштабное изображение форм Актуальная модель 1.4 Орбиталей из Моделируют взаиморасположение Материальные надувных и направленность электронных модели орбиталей 1.5 Электронных Изображение электронных пар на Материал Гиллеспи противоположными знаками спин) (Бердоносов С. С.) вида s- и p- пространственной направленности проволока, оргразборные орбиталей в «сигма» и «пи» связях стекло, пенопласт орбиталей электронных орбиталей с помощью одной орбитали механические устройства для вращения деталей (Булавин Ю. И.) 1.8 Электронов Моделируются взаимодействия и Первая модель магнитные примерные размеры электронов на электрона в виде (кольцевые первых двух s-орбиталях, а также кольцевого магнита карточки процессы переходов электронов магнитной основе 3.1 Модель Изображение электронов в атоме в Историческая 3.2 Резерфорда, Планетарная модель Резерфорда Сопровождается 3.3 Электронных Изображение электронов парами на Простая модель не пар Гиллеспи каждой орбитали из электронов с отражает различий 3.4 Молекулярных Изображение орбиталей в виде Обилие разных форм 4.1. Электронные Схематическое распределение Структурные и 4.2 Электронных Изображение электронов с Обозначение 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 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 (10бит/с.), вкусом (около 10 бит/с.). Источников информации 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 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 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 информативная (научная) насыщенность обучающих моделей не должна конфликтовать с их приспособленностью к специфике учебного процесса.

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, невозбужденном состоянии, из них – 10 моделей атомов элементов 1 и 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, 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, 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 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).

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 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].

знакомиться уже на первоначальном этапе изучения химии, отражают лишь 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 изготавливать шарики диаметром, отвечающим радиусу атомов по Ван-дерВаальсу. 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 определенными энергиями связи электронов в атоме. Но как взаимно 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 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 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 свидетельством не только дефицита наглядности в преподавании данного вопроса, но и его сложности. А как отмечалось в [64, с. 41] при введении наглядности. Из–за неопределенности форм орбиталей 10 d- и 14 fконфигураций 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 основана ядерная энергетика, или искусственно синтезированного элемента Нобелия (255 No 102).

В то же время известно, и на этом акцентируется внимание, что осуществлять в классах с углубленным изучением химии или в качестве факультативного спецкурса?

Из-за неопределенности формы орбиталей затруднена и сравнительная 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 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 Как показал анализ, проведенный в первой главе, при изучении строения атома модели используются часто. В соответствии с требованиями времени 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.

Глава 2. Педагогико-эргономические требования к созданию и использованию моделей для изучения строения вещества.

2.1. Принцип научности и адаптация новых научных данных для обучения.

Современные тенденции развития моделирования.

Среди основных принципов целостного педагогического процесса принцип научности обучения является важнейшим. В свою очередь, принцип доступности требует, чтобы обучение строилось на уровне возможностей учеников. При слишком усложненном содержании понижается мотивационный настрой, резко падает работоспособность. Вместе с тем при упрощенном содержании снижается интерес к учению, то есть упрощение содержания обучения снижает его развивающее влияние [83, с.47-48]. Выдающийся химик и методист А. М. Бутлеров постоянно подчеркивал, что на всех этапах обучения независимо от учебного заведения излагаемые знания должны быть доступны учащимся. Как отмечал И. Н. Чертков, рассматривая значение работ А. М.

Бутлерова для развития методики обучения химии [131, с.17], иногда учителя слишком усложняют учебную программу, считая необходимым знакомить учащихся с теориями, понятиями, которые недоступны им (теория резонанса, молекулярных орбиталей и др.).

Под научностью подразумевается не только формирование научного подхода к изучаемым явлениям у школьников, но и научная достоверность содержания изучаемого предмета или явления. Модели, используемые в обучении, должны иметь возможность отражения научно установленных фактов.

Как было показано в главе 1, проблемы создания и использования моделей объектов микромира существуют. Поставим прикладной вопрос в общем виде: нужна ли при изучении дисциплин естественнонаучного цикла модель электрона? А если нужна, то какими свойствами она должна обладать?

Рассмотрим, как решается этот вопрос в научном сообществе.

В смежных с физикой областях - в химии, в кристаллографии в качестве наглядных геометрических моделей атомов используют полиэдры (многогранники), или шары, усеченные плоскостями, перпендикулярными линиям связи. Электрон при этом либо не изображается, либо считается облаком, форма которого неопределенная, изменчивая, но должна показывать пространственное распределение плотности вероятности нахождения всего электрона в определенной точке пространства. Строго говоря, определенной наглядной модели электрона просто нет.

Может и вообще не нужна была бы модель электрона, если бы...она уже не использовалась в неявном виде и в квантовой химии, и в квантовой физике.

Ведь сам термин "перераспределение электронной плотности" и характеризующие его матрицы электронных плотностей подразумевают некоторую протяженность и изменяемость формы электронов. При этом утверждается, что даже сам термин "форма электрона" является некорректным, так как формы у электрона нет, размер его неопределенно мал, а определение его местоположения принципиально невозможно точнее величины, вычисляемой из соотношения Гейзенберга.

Таким образом, отказ от наглядных геометрических моделей не обоснован уже хотя бы тем, что моделируемые объекты реально существуют, имеют протяженность и определенную плотность. Кроме того, для качественного формирования понятий необходимы именно наглядные геометрические модели, так как образное восприятие - самое информативно насыщенное и помогает усваивать сложный материал. Возможность использования структурных моделей тем более важна, что, как известно, в химии «свойства веществ – функция их строения» [134].

Без наглядной, пусть и упрощенной модели, невозможно работать с объектами микромира. Разнообразные модели все равно используются, но они содержат не только массу недостатков, но и находятся в противоречии с непротиворечивую модель электрона невозможно, потому что противоречия содержаться в самих представлениях об электроне. То есть для создания непротиворечивой геометрической модели электрона, необходимо избавиться от противоречий в представляемых нами свойствах электрона.

Одно из основных противоречий заключается в том, что электрон представляется частицей безразмерной, но в то же время имеющей моменты вращения и, вообще говоря, определяющей размеры атома [1, 18, 19, 56, 80].

Чтобы избежать этого противоречия, можно вернуться к модели атома, предложенной Шредингером. В ней электронные заряды и токи непрерывно распределены по объему атомной системы с плотностями, выражающимися через волновую функцию. Сам Шредингер считал, что: "Квадрат волновой функции имеет смысл плотности электричества" [136]. Электрон при этом рассматривается в виде непрерывного потока стационарно вращающегося электрического заряда, потоки энергии в котором, замкнуты сами на себя и также стационарны. Возможность использования в квантовой механике представления Шредингера об электроне подробно рассмотрена в работах Власова А. Д. [18, 19]. В работе [19] не только рассматриваются и интерпретируются на языке квантовой механики предположения Шредингера, но и проводится историческое и хронологическое исследование, посвященное причинам отхода квантовой науки от использования представлений Шредингера, единственных, совместимых с классической электродинамикой.

Власов А. Д. отмечает, что истолкование Шредингера приводит к динамической модели атома, в которой заряды электронов непрерывно распределены по всему объему атома, и что в связи с этим возникает новое представление об электронах, как о частицах тех же размеров, что и сам атом. При этом стационарно вращающийся электрический заряд электрона, в полном согласии с классической электродинамикой, не излучает электромагнитной энергии потоки в нем замкнуты сами на себя и также стационарны.

Критическое переосмысление существующих физических теорий приводит к появлению новых теорий или предложений пересмотра старых, ранее отвергнутых научно-общественным мнением. В частности, сейчас существует много теорий - ревизий старой идеи наличия среды - эфира, проводящей электромагнитные волны. В рамках этих теорий электрон может рассматриваться как стационарный многокомпонентный волновой процесс в среде - эфире, характеризующийся резонансными параметрами этого процесса в среде. Отсутствие излучения электрона на орбите пытаются объяснять замкнутостью траектории его циркуляции. Однако, выходя за рамки ортодоксальной науки, (с точки зрения натурфилософии) было бы естественней предположить, что диссипация энергии все же имеет место (хотя бы на излучение волн, поддерживающих структуру поля электрона). Восстановление энергетического баланса и стационарное существование электрона неопределенно долгое время можно объяснить тем, что электрон является процессом в активной среде - эфире. Иначе говоря, можно предположить, что электрон является резонансным волновым процессом в структуре вакуума, или эфира. А его поля представляются различными формами напряженно деформированных состояний структуры эфира. Эту идею высказывал еще Г. А.

Лоренц. Электрон представляется преобразователем внутренней энергии физического или “кипящего” вакуума (или эфира) во внешнюю, то есть в энергию его электрического и магнитного поля. На сегодняшний день такое теоретическое положение можно принять только как аксиому, так как невозможность обнаружения "всемирного эфира" в физических экспериментах есть одно из его свойств (или следствие его наличия).

В течение последних 40 лет разными авторами активно «реанимируется»

и развивается гипотеза неувлекаемого эфира. Например, “Теория упругой квантованной среды” В. С. Леонова [59], описывающая элементарную ячейку эфира как электромагнитный квадроуполь планковских размеров и энергий.

Планковская длина представляет собой наименьшую длину в однородной области недеформированного пространства, свободного от гравитационного воздействия. Существуют гипотезы увлекаемого эфира, например, “Эфиродинамика” Ацюковского В. А. [6]. Эти исследовательские гипотезы – антагонисты, то есть входить друг с другом в противоречие. Приемлимой для использования могла бы оказаться теория эфира (или вакуума), «увлекаемость» частей которого являлась бы следствием инертности электрических и магнитных полей, оказывающих сопротивление изменениям их структуры.

Однако, даже не рассматривая суть различных теорий, предположений и обоснованность их выдвижения, можно отметить значение моделей в процессе познания и трудности, к которым приводит их отсутствие.

Во второй половине 20 века становится всё больше сторонников старинной модели элементарной частицы в виде кольцевого вихря. Первое упоминание о мельчайшей частице вещества в виде кольцевого вихря было сделано более 5 тысяч лет - это древнее Тибетское знание. Множество авторов в различных вариантах открывают заново эту древнюю модель элементарной частицы и с ее помощью разъясняют устройство атома и процессы микромира, не имеющие удовлетворительного объяснения, или не объясненные вовсе, а лишь задекларированные в рамках существующих физических теорий.

Например, моделировать электрон в виде частиц, составляющих массу электрона, вращающихся по кольцу радиусом 0,193 пм предложил Дидык Ю.К.

[38]. Электрон в виде "устойчивого вихря" был предложен В.А.Ацюковским [6].

Dave Bergman [1, 2] моделирует элементарные частицы в виде торов, размер которых определяется длиной волны Комптона для моделируемой частицы.

Канарев Ф.М. [52] изображает вращающимся кольцом и фотон, и электрон.

Спин частиц он интерпретирует как механический момент вращения кольца.

Власовым А. Д. [18, 19] была описана модель ротационного атома, предложенная на основе динамической модели атома Шредингера.

Беклямишев В. О. [7] предложил электрон изображать тором, окруженным стоячими квантовыми волнами, имеющими на поверхности сферы, окружающей электрон, особые узловые точки, количество которых соответствует числу электронов на различных энергетических уровнях s, p, d, f. Бунин В. А. [13] предложил мыслить частицы объектами, построенными из замкнутых магнитных струн. Его модель электрона в виде вращающейся восьмерки свернутого “вихревого жгута” - обладает спином, “зарядом”, магнитным моментом.

Модель электрона Ромазанова Б. И. [94] – это ограниченная двумя узловыми поверхностями пучность стоячей сферической волны электрического напряжения. Средой, в которой протекает процесс, является эфир. Ромазанов эфир мыслит не электромагнитным, а чисто электрическим континуумом.

Подобного вида модели электрона обладают новыми возможностями и достоинствами. Но они не универсальны и достаточно сильно отличаются друг от друга, что препятствует их совместимости. Например, модель электрона в виде тора малого размера, полученная расчётным приравниванием скорости движения волны (или распределенного заряда) по кольцу к скорости света ”С”, предполагает движение электронов - торов комптоновского размера по замкнутым траекториям в атоме, что возвращает нас фактически к планетарной модели [38]. Предполагаемое в [1] расположение электронов в атоме в виде тонких торов, объединенных в оболочку на манер одной или нескольких «связок бубликов на веревочке», или в виде отдельных витков соленоида, взаимно не связанных, приводит к трудностям моделирования форм стационарных устойчивости определённых электронных оболочек (устойчивость которых Менделеева). Модель электрона Канарева Ф. М. [52] в виде жесткого тора, вращающегося вокруг своей оси симметрии, требует мотивированного объяснения синхронного и целочисленного увеличения диаметра электрона и уменьшения частоты его вращения, необходимых для сохранения постоянства его момента вращения (численно равного постоянной Планка) в процессах перехода электрона с уровня на уровень.

Кеннет Снельсон в 1963 году предложил моделировать все электроны в атоме кольцевыми магнитами, изображая тем самым вид электронных оболочек атома любой сложности [4]. Модели К. Снельсона не были востребованы в науке из-за ограниченности применения в отсутствие математического аппарата их использования, который мог бы конкурировать с квантовой механикой.

Большинство из приведённых выше моделей, представляя собой простые неразработанность методического аппарата их использования привела к тому, что их просто не заметили.

Существуют и более сложные модели, которые трудно адаптировать для использования в школе. Например, профессор Сапогин Л. Г. [100] использует в модели электрона понятие туннелирования: электрон атомной оболочки совершает квантовые скачки в пределах орбитали не беспорядочно, а сквозь ядро атома, каждый раз проходя (туннелируя) через него. Туннелирует электрон благодаря тому, что в это мгновение он находится в «нулевой фазе», при которой мгновенные значения массы и заряда электрона равны нулю.

Опираясь на эту гипотезу, Фоминский Л. П. предложил «полуклассическую»

модель, в которой «падающий к ядру электрон ускоряется его электрическим полем до околосветовых скоростей. А с увеличением скорости сечение электромагнитных взаимодействий частиц, как известно, уменьшается, и частицы не успевают провзаимодействовать. Так как ядро и сам электрон обладают магнитным моментом, то при пересечении падающим электроном силовых магнитных линий на него действует сила Лоренца, заставляющая электрон отклониться от прямолинейной траектории. В результате падающий к ядру электрон не попадает в центр ядра, а пролетает мимо» [90, с. 218]. В этой модели атома электрон совершает гармонические колебания относительно ядра, как шарик на резинке. Поскольку движения электрона между точками максимального удаления от ядра остаются для наблюдателя незаметными, то создается иллюзия движения электрона по круговой орбите со скоростью С*=С/137.033. Иллюзия движения электрона по круговым и эллиптическим орбитам в атоме не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Модель Л. П. Фоминского популярно изложена и позволяет совмещать наглядность, свойственную классическим моделям, и квантованность положений электрона в атоме.

На основе проведённого анализа существующих моделей электрона, можно сделать вывод, что сложность предлагаемых мысленных моделей препятствует созданию материальной модели [7, 59, 82, 90, 94, 100]. Кроме того, большинство вышеперечисленных моделей не дают однозначного способа распределения электронов вокруг ядра сложного атома по оболочкам в соответствии с закономерностью, на основе которой построена Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

Поэтому предлагается использовать геометрическую модель электрона в виде тонкого тора, размер которого больше комптоновской длины и определяет размер атома [56]. Такой “крупный” электрон может покоиться, то есть пребывать в стационарном состоянии, уравновесив взаимное притяжение с ядром взаимным отталкиванием с другими электронами, окружающими ядро атома. Из этого следует, что модель электрона в виде кольца уже не нуждается в жесткой декларации первого Постулата Бора и не требует возведения соотношения неопределенностей Гейзенберга в принцип, так как электрон характеризующимися известным соотношением В. Гейзенберга.



Pages:     || 2 | 3 |


Похожие работы:

«Башкин Владимир Анатольевич Некоторые методы ресурсного анализа сетей Петри 05.13.17 – Теоретические основы информатики ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Научный консультант д. ф.-м. н., проф. И. А. Ломазова Ярославль – 2014 Содержание Введение...................................... 4 Предварительные сведения...................»

«ПОПОВ Александр Николаевич ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наук ам) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учной степени кандидата технических наук Научный...»

«Вакуленко Андрей Святославович ОБЩЕСТВЕННОЕ МНЕНИЕ В СОЦИАЛЬНО–ИСТОРИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ 09.00.11 – социальная философия Диссертация на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель : доктор философских наук, профессор Зорин Александр Львович Краснодар – 2014 Содержание ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВА Теоретико–методологические основы изучения I. общественного мнения.. 1.1. Полисемантичность...»

«УДК 579.695+579.66’112.3+663.14 КИРИЦА ЕЛЕНА НАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ КАРОТИНОИДОВ У ДРОЖЖЕЙ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 03.00.23 - БИОТЕХНОЛОГИЯ Диссертация на соискание ученой степени доктора биологии Научный руководитель : Усатый А. С., Доктор хабилитат биологии, конф. исследователь Автор: Кирица Елена Кишинев СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. 1. КАРОТИНОИДНЫЕ ПИГМЕНТЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. 1.1. Микроорганизмы...»

«БОСТАНОВ МАГОМЕТ ЭНВЕРОВИЧ ГЛОБАЛИЗАЦИОННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ ТУРЕЦКОЙ РЕСПУБЛИКИ В РЕГИОНЕ ЛЕВАНТА Специальность 23.00.04 – Политические проблемы международных отношений, глобального и регионального развития Диссертация на соискание ученой степени кандидата политических наук Научный руководитель : канд. полит. наук, доц....»

«Черенкова Юлия Владимировна Локус Россия в русской поэзии ХХ века: лексический аспект 10.02.01 – русский язык Диссертация на соискание ученой степени кандидата филологических наук Научный руководитель : доктор филологических наук, профессор Прокофьева В.Ю. Оренбург — 2014 СОДЕРЖАНИЕ Введение.. Глава 1. Поэтический локус Россия как...»

«СОКОЛОВА Ольга Владимировна БЫТИЕ ПОЛА В СОЦИАЛЬНОЙ ДИСКУРСИВНОСТИ 09.00.11 – социальная философия Диссертация на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель : доктор философских наук, профессор О.Н. Бушмакина Ижевск-2009 г. Содержание Введение.. Глава I. Онтология предела в дискурсе пола. §1...»

«Еременко Сергей Леонидович ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ РОССИЯН В ГЛОБАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ИНТЕРНЕТ: СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 22.00.04 – социальная структура, социальные институты и процессы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата социологических наук Научный руководитель – доктор социологических наук Е.О. Кубякин Краснодар – Содержание Введение.. 1. Экономическое поведение россиян...»

«Марочкин Алексей Геннадьевич ПОГРЕБАЛЬНАЯ ПРАКТИКА НАСЕЛЕНИЯ ВЕРХНЕГО ПРИОБЬЯ В ПЕРИОДЫ НЕОЛИТА И ЭНЕОЛИТА (история изучения, структурный анализ и типология, проблемы культурно-хронологической интерпретации) 07.00.06 – Археология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель : доктор исторических наук,...»

«Ульянова Марина Олеговна УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ГАЗЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ДОННЫХ ОСАДКАХ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ Специальность 25.00.28 – океанология Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук Научный руководитель : кандидат геолого-минералогических наук Сивков Вадим Валерьевич Научный консультант : доктор...»

«Усольцева Ольга Алексеевна ТРЕХМЕРНЫЕ СКОРОСТНЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ ТЯНЬ-ШАНЯ НА ОСНОВЕ БИ-СПЛАЙН ПАРАМЕТРИЗАЦИИ И ТРИАНГУЛЯЦИИ ДЕЛОНЕ Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель – доктор физико-математических наук Ирина Альфатовна Санина Москва - Оглавление. СОКРАЩЕНИЯ, ТЕРМИНЫ И...»

«Богданов Рашит Фаргатович ТРАНСФУЗИИ ЛИМФОЦИТОВ ДОНОРА ПРИ РЕЦИДИВЕ ЛЕЙКОЗА ПОСЛЕ ТРАНСПЛАНТАЦИИ АЛЛОГЕННОГО КОСТНОГО МОЗГА 14.01.21 – Гематология и переливание крови диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор медицинских наук, профессор Л.П. Менделеева Москва Стр. Оглавление Введение.. Глава 1....»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Тенетко, Алексей Алексеевич 1. Юридическая техника правоприменительных актов 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2003 Тенетко, Алексей Алексеевич Юридическая техника правоприменительных актов [Электронный ресурс]: Дис.. канд. юрид. наук : 12.00.01.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной библиотеки) Теория права и государства; история права и государства; история политических и правовых учений Полный текст:...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Жуковский, Владимир Ильич 1. Субъект преступления в уголовном праве России 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2003 Жуковский, Владимир Ильич Субъект преступления в уголовном праве России [Электронный ресурс]: Дис.. канд. юрид. наук : 12.00.08.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной библиотеки) Уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Полный текст:...»

«Сергеев Олег Витальевич РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ЖИВОЙ СУХОЙ ВАКЦИНЫ ПРОТИВ ЭПИЗООТИЧЕСКОЙ ДИАРЕИ СВИНЕЙ (ВАКЦИНА ВЕРРЕС-ЭДС) В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ 06.02.02 – ветеринарная микробиология, вирусология, эпизоотология, микология с микотоксикологией и иммунология Диссертация на соискание учёной...»

«Юзефович Наталья Григорьевна АДАПТАЦИЯ АНГЛИЙСКОГО ЯЗЫКА В МЕЖКУЛЬТУРНОМ ПОЛИТИЧЕСКОМ ДИСКУРСЕ РОССИЯ – ЗАПАД Диссертация на соискание ученой степени доктора филологических наук Специальность: 10.02.04 – германские языки Научный консультант доктор филологических наук, профессор...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Гнедина, Татьяна Георгиевна Динамика карьерных ориентаций личности руководителя Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Гнедина, Татьяна Георгиевна.    Динамика карьерных ориентаций личности руководителя  [Электронный ресурс] : На примере Забайкальской железной дороги : Дис. . канд. психол. наук : 19.00.13. ­ Хабаровск: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки). Психология развития, акмеология...»

«Рубцова Татьяна Юрьевна Формирование жизненных перспектив будущих абитуриентов вуза Специальность 13.00.01 – Общая педагогика, история педагогики и образования Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель :...»

«Тришкин Иван Борисович СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Специальность: 05.20.01- Технологии и средства механизации сельского хозяйства Диссертация...»

«ЧЕРНЕЦКАЯ Юлия Владимировна КАДАСТРОВАЯ ОЦЕНКА ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ ГОРОДСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ С УЧЕТОМ ОБРЕМЕНЕНИЙ И ОГРАНИЧЕНИЙ Специальность 25.00.26 – Землеустройство, кадастр и мониторинг земель ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.