Модели и конструкторы: химия детям

Как помочь школьникам усваивать трудные разделы химии о строении и взаимодействии молекул? Эти разделы изучаются в школе начиная с 8-го класса, и в них, безусловно, должны быть отражены достижения современной науки. Сделать предмет понятным, заинтересовать ученика загадками природы – это задача учителя. Пробудив в школьниках интерес к химии, можно стимулировать их к получению профессии в этой и смежных областях – в генетике, биологии, медицине, фармакологии. Такие специалисты нужны стране сейчас и в будущем.

Об одной из методик преподавания химии в школе рассказал «Летидору» кандидат педагогических наук, заведующий лабораторией в Институте содержания и методов обучения Российской академии образования, Дмитрий Николаевич Кожевников , физик-теоретик по образованию и педагог по роду деятельности. Дмитрий предлагает использовать при изучении молекулярного строения вещества созданные им кольцегранные модели молекул. С помощью этих моделей можно донести до учеников сложные, трудно усваиваемые идеи современной химической науки.

Модели для преподавания химии в школе

Известно, что изучая строение вещества, наука 20-го столетия пришла к пониманию того, что мир атомов и молекул, то есть микромир, не является уменьшенной копией макромира – окружающего нас мира. Мы живем в макромире, мы воспринимаем его нашими органами чувств и изучаем с помощью «обычных» приборов. Микромир не поддается описанию на основе привычных классических представлений. Но как описать его иначе, не пользуясь образами, доступными человеку при естественном восприятии?

Учеными была создана квантовая модель микромира, основные принципы которой кажутся парадоксальными. Согласно квантовой теории, электроны, входящие в структуру молекул, являются одновременно и частицами и порциями волны, то есть квантами (это значит, что частицы материи имеют двойственную природу). Также трудно понять тот факт, что невозможно точно определить в одно и то же время место электрона в пространстве и его скорость (это называется принципом неопределенности).

Учитель химии расскажет школьникам об этих принципах квантовой теории – двойственной природе материи и принципе неопределенности, но как помочь школьнику приблизиться к пониманию этих парадоксов? Ведь школьный класс это не лаборатория научного института, и даже на экране компьютера не удастся воспроизвести картинки, которые открываются ученым, использующим современные высокотехнологичные методы. Учитель может привести названия этих методов, например, электронная спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, но разъяснение их сущности восьмиклассникам лежит далеко за пределами школьной программы. Ну а если учитель говорит о непонятном, ученику скучно, и смысл урока утрачивается. И вот здесь на помощь приходит моделирование молекул. С помощью пространственных материальных моделей можно приблизить школьника к пониманию того, как устроен невидимый микромир. В отличие от символьных моделей, лежащих в основе «химической письменности» (символов химических элементов, уравнений химических реакций) материальные модели ученик может взять в руки, собрать и разобрать, тем самым подкрепив абстрактные химические формулы наглядными, собственноручными манипуляциями с «веществами».

Моделирование как методика обучения давно используется в школе; применяются различные учебные модели молекул. На сегодня наиболее распространенные модели строятся из разноцветных шариков - «атомов», которые соединяются друг с другом вплотную или с помощью соединительных стержней, образуя «молекулы». Это так называемые объемные и шаростержневые модели. Кабинеты химии оснащаются готовыми наборами «атомов», чтобы ученики могли составлять из них модели молекул.

Ну а как же быть с данными современной науки? Ведь уже известно, что электроны нельзя рассматривать просто как шарики, следовательно, нужны новые модели молекул, чтобы попытаться сделать более понятными и волновые свойства элементарных частиц, и принцип неопределенности.

Д.Н. Кожевников пошел по пути, намеченному в 60-е годы прошлого века польским исследователем Збигневом Огжевальским. В новых моделях молекул нет электронов-шариков. Есть тонкие гибкие кольца, которые отображают траектории циркуляции электронов, где электроны могут находиться в неопределенном месте (принцип неопределенности), а сам замкнутый контур периодического движения воспроизводит генерируемую этим движением волну (частица-волна). Каждому электрону в молекуле соответствует свое кольцо. Кольца располагаются в гранях многогранников и связываются между собой в соответствии со структурой молекулы – получаются кольцегранники. 

Конечно, как всякая материальная модель молекулы, кольцегранник это предельное упрощение, но на данном уровне преподавания химии в школе такое моделирование позволяет приблизить ученика к пониманию невидимой структуры вещества с учетом данных современной науки. Для практического применения в школе спроектирован «Набор для сборки кольцегранных моделей атомов и молекул», выпущены плакаты, демонстрирующие разные модели молекул.