Введение
Характер познавательной деятельности учащихся определяется нетолько целями и задачами обучения, но и содержанием учебного материала, формамиорганизации работы с ними.
Развитие познавательной деятельности предусматривается и втребованиях предметными умениями, таких, например, как умение пользоватьсяхимическим языком. Химический язык включает в себя несколько компонентовзнаний, один из которых символика. Учащиеся 5-7-х классов успешно овладеваютэтим компонентом, используя компьютерную программу «Химическаяэнциклопедия”, которая является обучающейся программой и используется напропедевтических занятиях.
Глава 1. Компьютерные технологии на уроках химии
Характер познавательной деятельности учащихся определяется нетолько целями и задачами обучения, но и содержанием учебного материала, формамиорганизации работы с ними.
Развитие познавательной деятельности предусматривается и втребованиях предметными умениями, таких, например, как умение пользоватьсяхимическим языком. Химический язык включает в себя несколько компонентовзнаний, один из которых символика. Учащиеся 5-7-х классов успешно овладеваютэтим компонентом, используя компьютерную программу „Химическаяэнциклопедия”, которая является обучающейся программой и используется напропедевтических занятиях.
Знание знаков химических элементов позволяет учащимся изображатьсостав и строение веществ с помощью химических формул, а свойства и способы ихполучения с помощью уравнений химических реакций при изучении систематическогокурса химии в 8-х классах.
Развитие знаний химического языка продолжается черезкомпьютерную программу “ Органическая химия», состоящую из несколькихблоков:
1. номенклатураорганических веществ,
2. составлениеструктурных формул,
3. химическиесвойства органических веществ.
Эта программа успешно используется в 10 — 11 классах каксредство самоконтроля при подготовке к обобщающим урокам и контроля знаний.
Отличительная черта компьютерной программы "Производство серной кислоты" — широкое использование моделированияхимических процессов, протекающих в специальных устройствах, что позволяет обучаемомусконцентрировать свое внимание на основных особенностях рассматриваемыхпроцессов.
Организовать и тем более достичь развитие познавательнойдеятельности учащихся в процессе выполнения ими химического экспериментанесомненно сложно. Компьютерная программа «Химик» — одна из формпроведения химического эксперимента, признаки химических реакций сопровождаютсяизменением цвета, появлением осадка, газа.
Большое значение для развития познавательной деятельностиучащихся имеют упражнения в решении расчетных задач. Компьютерную программу«Решение задач по химии » можно использовать как обучающую иконтролирующую. В программе представлены задачи разной степени сложности,показаны алгоритмы их решений.
Сегодня компьютерные технологии всё шире используются в практикепреподавания не только информатики, но и других дисциплин как математика, физика,биология, химия. Опыт работы показал, что компьютерные технологии непременнодолжны сочетаться с традиционными формами обучения химии. Полученная здесьинформация передается при работе с компьютером, где происходит закреплениезнаний повышение их прочности.Глава 2. Компьютерная химия
Компьютернаяхимия (Математическаяхимия) — сравнительно молодая область химии, основанная на применении теорииграфов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера. Исходя изобщего определения химии как науки о веществах и превращениях их в друг друга,можно сказать, что вещества (молекулы) моделируются в компьютерной химии молекулярнымиграфами, а превращения веществ (химические реакции) — формальными операциями сграфами. Такой формально-логический подход в ряде случаев заметно упрощает алгоритмизациюхимических задач, сводя их к типовым задачам комбинаторики и дискретнойматематики и позволяет искать решения с помощью компьютерных программ. При этомнаряду со специальными программами в компьютерной химии могут применяться иуниверсальные программы: для работы с таблицами, математические программы(например, Maple или Mathematica) и т. д.
Вкачестве примера типовых задач компьютерной химии можно назвать: поискзависимостей типа «структура — свойство»; генерацию наборов химическихструктур, отвечающих заданным параметрам (составу, наличию функциональных группи т. д.); перечисление всевозможных химических реакций между заданнымиреагентами (так называемый «компьютерный синтез») и т. д. Наряду с общимихимическими задачами в компьютерной химии существует также большая группаузкоспециальных задач, тесно связанных с задачами химической информатики,например, задачи распознавания химических структур при обращении к химическим ифизико-химическим базам данных. Эта группа задач в свою очередь тесно связана спроблемой изоморфизма графов.
Прирешении задач компьютерной химии широко используются различные вычислительныеметоды и операции с топологическими индексами (инвариантами графов). В рядеслучаев формально-логический подход расширяется химическими подходами,например, в дополнение к топологическим индексам, отражающим строение молекулы,используются электроотрицательности атомов в молекуле, отражающие составвещества. Методы компьютерной химии часто используются в сочетании с методами квантовойхимии, молекулярной механики и др. Для обработки результатов вычислительногоэксперимента широко применяются методы математической статистики. В некоторыхслучаях для поиска решений применяются методы искусственного интеллекта.
Особуюроль методы компьютерной химии играют в органической химии, что объясняетсятрудной формализуемостью последней, как по сравнению с другими естественныминауками, например, с физикой, так и по сравнению с другими областями химии,например, с неорганической химией. Компьютерная химия имеет большое значение идля многих важнейших областей биохимических исследований, например, при решениизадач типа «структура-фармакологическая активность», часто в такихисследованиях методы компьютерной химии дополняются методами моделирования,специфическими для молекулярно-биологических систем.
Впериод становления и формирования в самостоятельную область новое научноенаправление нередко получает разные названия у разных авторов. Так произошло ис компьютерной химией: исторически закрепились два названия — «компьютернаяхимия» и «математическая химия». Так, один из научных журналов, оказавшийзначительное влияние на становление компьютерной химии, называется «Journal ofMathematical Chemistry». Однако название «математическая химия» представляетсянеудачным, если учесть, что многие области химии, сформировавшиеся задолго допоявления компьютерной химии, изначально были основаны на математическомфундаменте, например, физическая химия, кинетика и катализ, квантовая химия.При том, что ряд основополагающих работ в компьютерной химии был выполнен вовремя ЭВМ первых поколений, развитие компьютерной химии стало возможным толькос появлением современных компьютеров. Несмотря на то, что сегодня компьютерыиспользуются практически во всех областях современной химии как длятеоретических так и для экспериментальных исследований, именно компьютернаяхимия гораздо больше многих других областей химии зависит от уровня развитиякомпьютерных технологий. Такая зависимость связана прежде всего со спецификойважнейших алгоритмов теории графов, многие из которых имеют экспоненциальнуювычислительную сложность — теоретическая оценка времени, затраченного наисполнение алгоритма, является экспоненциальной функцией от размера графа, тоесть от количества его вершин и ребер, или говоря общехимическим языком — отчисла атомов и химических связей в молекуле.
Сдругой стороны, многие задачи химической информатики, решаемые с помощьюметодов компьютерной химии, уже по своей постановке невозможны безиспользования компьютера, например, формирование и эксплуатация компьютернойбазы данных по свойствам химических соединений. Необходимо при этом отметить,что сама химическая информатика возникла задолго до появления компьютеров. Так,были и продолжают широко использоваться многочисленные химические справочники иреферативные журналы, отпечатанные на бумаге. Существуют зарекомендовавшие себяи ставшие классическими методы поиска по этим изданиям с применениемвсевозможных печатных указателей (авторского, предметного, формульного и т. д.),организуемые без привлечения аппарата компьютерной химии. Таким образом, вотличие от компьютерной химии, химическая информатика, как и подавляющеебольшинство традиционных областей химии, основана на применении докомпьютерныхтехнологий. В этом и заключается основное методологическое отличие компьютернойхимии. С известной долей неточности можно утверждать, что если цельюбольшинства химических исследований является установление некоторых химическихзакономерностей, то целью исследований в компьютерной химии является, какправило, некоторый алгоритм и реализующая его компьютерная программа,позволяющая искать химические закономерности, эксплуатация такой программыможет проходить уже вне области компьютерной химии.
Глава 3. Мультимедийныетехнологии как средство повышения эффективности обучения в школе
Современная школа с ее проблемамизаставляет думать о том, как сделать процесс обучения более результативным. Какучить так, чтобы ребенок проявлял интерес к знанию.
Компьютерные технологии предоставляют огромныевозможности для развития процесса образования, формированияинформационно-образовательной среды, основу которой составляют компьютерныеинформационные источники, электронные библиотеки, видео– и аудиотеки,видеоконференции и другие приложения сферы образования. При разработке такойсреды упор делается на самостоятельную работу обучающихся, их коллективноетворчество, проведение мини-исследований различного уровня. Образовательныйпроцесс характеризуется, в первую очередь, тем, что он интерактивен в своейорганизации, имеет конкретную предметную область познания и реализуеттехнологии доступа к образовательным ресурсам. Эффективность образовательногопроцесса во многом определяется обеспечением условий дружественноговзаимодействия пользователей и информационно-образовательной среды с помощьютелекоммуникационных средств.
Совместимостьинформационно-коммуникационных технологий с традиционными средствами и формамиобучения – один из важных методических принципов их применения.
В отличие от обычных технических средствобучения ИКТ позволяют не только насытить обучающегося большим количествомготовых, строго отобранных, соответствующим образом организованных знаний, но иразвивать интеллектуальные, творческие способности учащихся.
Ещё К.Д. Ушинский заметил: “Детскаяприрода требует наглядности”. Наглядность материала повышает его усвоение, т.к.задействованы все каналы восприятия учащихся – зрительный, механический,слуховой и эмоциональный. Разумное использование в учебном процессе наглядныхсредств обучения играет важную роль в развитии наблюдательности, внимания,речи, мышления учащихся.
Компьютер в настоящее время способенманипулировать звуком и видео для достижения спецэффектов, синтезировать ивоспроизводить звук и видео, включая анимацию и интеграцию всего этого в единуюмультимедиа-презентацию.
Использование мультимедийных презентацийцелесообразно на любом этапе изучения темы и на любом этапе уроке. Данная формапозволяет представить учебный материал как систему ярких опорных образов, чтопозволяет облегчить запоминание и усвоение изучаемого материала. Подачаучебного материала в виде мультимедийной презентации сокращает время обучения,высвобождает ресурсы здоровья детей. Учеников привлекает новизна проведениятаких моментов на уроке, вызывает интерес.
За время работы в гимназии в кабинетесоздана и пополняется медиатека, которая позволяет подбирать необходимый куроку материал. К созданию медиатеки активно привлекаются учащиеся, владеющиетехнологией создания мультимедийных презентаций, содержащих информацию ииллюстративный материал. На сегодняшний день есть МП по различным вопросам,начиная с презентации “Химия как наука” для учащихся 8 классов и заканчивая –“Химия внутри и вокруг нас” для учащихся 11 класса. Благодаря этим средствам,учебный материал может быть представлен в самых разнообразных формах, чтоделает подачу учебной информации более интересной и запоминающейся.
При использовании мультимедиа-презентацийв процессе объяснения новой темы достаточно линейной последовательности кадров,в которой могут быть показаны самые выигрышные моменты темы. На экране могуттакже появляться определения, схемы, которые ребята списывают в тетрадь, тогдакак учитель, не тратя время на повторение, успевает рассказать больше. Показтакой презентации (который в этом случае представляет собой нечто вродеконспекта теоретического материала по данной теме) производится преподавателемна одном компьютере (желательно с применением средств проекции). Используявозможности мобильного класса, такой презентацией можно воспользоваться длясамоподготовки учащихся. Переход от кадра к кадру в этом случаезапрограммирован только по нажатию клавиш или по щелчку мышью, безиспользования автоматического перехода по истечении заданного времени,поскольку время, требуемое для восприятия учащимися того или иного кадра сучетом дополнительных объяснений, может быть различным в зависимости от уровняподготовки учащихся.
Сейчас существует достаточно большоеколичество обучающих компьютерных программ (тестов), которые используются дляконтроля и усвоения знаний.
При создании теста с выбором ответа накомпьютере, можно организовать вывод реакции о правильности (не правильности)сделанного выбора или без указания правильности сделанного выбора. Можнопредусмотреть возможность повторного выбора ответа. Такие тесты должныпредусматривать вывод результатов о количестве правильных и не правильныхответов. По результатам таких тестов можно судить о степени готовности ижелании учеников изучать данный раздел.
Использование компьютерного тестированияповышает эффективность учебного процесса, активизирует познавательнуюдеятельность школьников. Тесты могут представлять собой варианты карточек свопросами, ответы на которые ученик записывает в тетради или на специальномбланке ответов, по желанию учителя смена слайдов может быть настроена наавтоматический переход через определенный интервал времени.
Цель работы состоит в развитии творческогоподхода к овладению знаниями по предмету (химии). Учащимся часто предлагаетсяразработать ряд тестовых заданий по предложенной теме, затем набрать их впрограмме, позволяющей пользоваться этими тестами в электронном варианте.
Чтобы выполнить такое задание, учащиесядолжны были более глубоко изучить необходимый раздел химии или несколькоразделов, сформулировать контрольные вопросы, отражающие суть темы и датьнесколько вариантов ответов (правильных и неправильных). Данный подход учитсамостоятельности в работе с литературой, логическому мышлению, умениюформализовать полученные знания.
Благодаря электронным пособиям учащиесямогут побывать в виртуальной лаборатории, провести виртуальный эксперимент,изучить физические и химические свойства веществ, что активизируетпознавательный интерес учащихся. В условиях ограниченной оснащенностилаборатории это становится особенно актуальным.
Появление в кабинете интерактивной доскипозволяет планировать создание в будущем совместного интеллектуальногопродукта. Учащиеся начинают понимать более сложный материал в результате болееясной, эффективной и динамичной подачи. Можно активно комментировать материал:выделять, уточнять, добавлять посредством электронных маркеров с возможностьюизменить цвет и толщину линии, делать пометки прямо поверх изображения. Частьизображения можно закрыть “Шторкой” или высветить “Прожектором”. Все можносохранить и при необходимости повторить. Благодаря наглядности иинтерактивности, класс вовлекается в активную работу. Обостряется восприятие.Повышается концентрация внимания, улучшается понимание и запоминание материала.
Изучение любой дисциплины с использованиемИКТ дает детям возможность для размышления и участия в создании элементовурока, что способствует развитию интереса школьников к предмету. Классические иинтегрированные уроки в сопровождении мультимедийных презентаций, on-line тестови программных продуктов позволяют учащимся углубить знания, полученные ранее,как говорится в английской пословице — “Я услышал и забыл, я увидел изапомнил”. Применение информационных технологий на уроках направлено насовершенствование существующих технологий обучения. Они приносят в известныеметоды обучения специфический момент за счет усиления исследовательских,информационно-поисковых и аналитических методов работы с информацией.
Глава4. О компьютерном подходе к решению расчетных химических задач
Вооружениеучащихся знаниями и навыками использования современных ЭВМ в учебном процессе,на наш взгляд, один из наиболее. перспективных путей повышения эффективностиобучения. Применение современных ЭВМ, в частности, при обучении химии не можетсводиться лишь к ускорению расчетов. Оно должно быть направлено на болееглубокое понимание учащимися изучаемых процессов и явлений.
Решениерасчетных химических задач — первый этап применения ЭВМ в процессе обученияхимии. Изучение количественных отношений в химии должно способствоватьприобретению учащимися прочных знаний, развитию логического мышления приизучении химических явлений. Углубленное и четкое усвоение учащимися методикирешения расчетных задач необходимо для более глубокого осмысливания теоретическихположений, лежащих в основе расчетов.
Методикаосвоения задач каждого нового типа базируется на машинной логике и включаетследующие этапы:
1) рассмотрениенескольких задач одного типа;
2) составлениеалгоритмов решения всех этих задач;
3) сравнительныйанализ решений, выявление общего в составленных алгоритмах;
4) составлениеобобщенного алгоритма решения (при этом формулируются общие признаки, присущиеданному типу задач);
5) составлениепрограммы вычислений для данного типа задач согласно обобщенному алгоритму.
Вэтой методике основное место отводится составлению алгоритма решения. Подалгоритмом, как известно, понимается последовательность точно сформулированныхправил решения данной задачи. Алгоритм можно рассматривать: как план решениязадачи.
Врезультате освоения каждого нового типа задач учащиеся составляют такназываемую карту этого типа задач, содержащую обобщенный алгоритм, и,соответственно, программу вычислений. Эта карта содержит также контрольнуюзадачу с ответом и с указанием времени автоматического выполнения программы.Приведем подробный пример составления одной из карт.
Названиетипа задач. Вычисление по химическому уравнению масс веществ по известной массевещества (одного из вступающих или получающихся в результате реакции).
Условие(в общем виде): по уравнению химической реакции aA+6B=cC+dD вычислить массувещества А (т*(А) г), необходимую для получения порции вещества С известноймассы («'(С) г).
Составлениеалгоритма решения.
I.Нахождение исходных данных.
Таккак по условию задачи надоопределить массу одного вещества поизвестной массе другого вещества, длярешения задач этого типа необходимо использовать соотношение m=vM где m — массавещества (г), М — молярная массавещества… (г/моль). Известно, что уравнение химической реакции выражаетсоотношение, числа молей веществ, участвующих и полученных, в. этой реакции, т.е. количества веществ V(A) иv(C), соответственно, прямопропорциональны коэффициентам в уравнении реакции, отсюда v(A) моль=а, v(C)моль=с.
Анализируяхимические формулы веществ А и С и используя таблицу относительных атомныхмасс, рассчитываем недостающие исходные данные: относительные молекулярныемассы ЛТГ(А) и Afr(C), а так как численные значенияотносительных молекулярных и молярных масс равны, недостающими исходнымиданными будут: М(А) г/моль=Л7г(А),.Л1(С) г/моль=Л(г(С).
Используяисходные данные, приступаем к составлению алгоритма решения.
/>
Программавычислений(составляется согласно алгоритму решения).
Дляудобства работы программа оформлена в виде табл. 1, рядом указано, в какихрегистрах памяти хранятся исходные данные и результаты промежуточных вычислений.Приведенная программа имеет девять шагов.
/>
Влевом столбце таблицы указан номер (адрес) шага, в среднем столбце проставленапоследовательность команд, составляющих содержание программы, в правом столбцесодержатся пояснения, раскрывающие смысл и назначение каждой команды(комментарий).
Контрольнаязадача (позволяет убедиться в отсутствии ошибок в программе).
Исходяиз уравнения химической реакции СаО+Н20=Са(ОН)2,вычислить массу оксида кальция, необходимую для получения гидроксида кальциямассой 37 г.
Заносимисходные данные в регистры памяти (табл. 2).
/>
Времяавтоматического выполнения программы — 5 с.
Ответ: 28,следовательно, масса оксида кальция равна 28 г.
Таким образоммы составляем пакет карт для решения задач разных типов (сейчас в литературедля этого используется термин «пакет прикладных программ»).
Использованиекалькуляторов только для выполнения арифметических действий при решениирасчетных химических задач, конечно, может решить на первый взгляд целый рядпроблем, например на первом этапе у учащихся повышается интерес к задачам,учитель имеет возможность экономить время урока. Однако если компьютеризациюрассматривать только в этом плане, т. е. использовать калькуляторы только длярасчетов, не обращая серьезного внимания на алгоритм решения задачи, то такое применениекалькуляторов на уроках химии может оказаться даже вредным с точки зренияосвоения предмета.