Моделювання хімічних явищ у програмному середовищі NetLogo

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Программирование


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Методи моделювання

1.2 Комп’ютерне моделювання

1.3 Використання моделювання в хімії

1.4 Компґютерна підтримка курсу хімії

1.5 Історія та призначення NetLogo

2. Експериментальна частина

2.1 Аналіз найбільш поширених помилок учнів при складанні реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді

2.1.1 Методика проведення експерименту

2.1.2 Результати аналізу найбільш поширених помилок учнів при складанні реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді

2.2 Використання моделювання при вивченні органічної хімії за програмою «Органічна хімія. 10−11 клас. Транспортні системи»

2.3 Використання моделювання при вивченні хімії за програмою «Хімія, 9 клас»

2.4 Аналіз існуючих моделей «NetLogo» щодо вирішення визначених проблем

2.5 Застосування моделі NetLogo для вивчення теми «Реакції йонного обміну»

2.5.1 Опис моделі

2.5.2 Методика проведення експерименту

2.5.3 Результати експерименту

Висновок

Список літератури

Вступ

В даний час спостерігається зниження середнього рівня підготовки з хімії. Можна назвати ряд типових проблем, серед яких основною є неспроможність багатьох учнів подумки створювати зв’язки між різними рівнями представлення хімічних знань — мікроскопічним, макроскопічними і символьним. Ще одна проблема — слабке вміння розв’язувати задачі, представлені в графічному вигляді, в порівнянні з іншими видами завдань.

Триваюче в останні роки активне впровадження інформаційно-комунікаційних технологій в освітню практику відкриває нові можливості для вирішення згаданих вище проблем. Зокрема, застосування середовища програмування NetLogo дозволяє візуалізувати зв’язки між макроскопічними та мікроскопічними рівнями представлення даних, явищами матеріального світу і символічними формами опису, а також моделювати ситуації, які розвиваються в часі. Мова програмування, що використовується в NetLogo, досить проста, учні і викладачі можуть створювати в цьому середовищі власні моделі. У той же час це досить потужна мова. Творець або користувач моделі може керувати сотнями або тисячами незалежних «агентів» (наприклад, атомів або молекул), що діють одночасно і паралельно. Працюючи з моделями у середовищі NetLogo учні можуть вносити невеликі зміни в обчислювальний код, який лежить в їх основі, прогнозувати і перевіряти результати зміни моделі тощо. Це відкриває можливість для пояснення і розуміння зв’язків між поведінкою окремих мікроскопічних об'єктів і явищами, які відбуваються на макрорівні.

На сайті проекту наводяться і доступні до вільного використання десятки розроблених моделей з біології, математики, хімії, соціології. Тут же можна скачати останню версію мови.

Мета: дослідження ефективності застосування моделей NetLogo для усунення типових проблем ліцеїстів у засвоєнні тем хімії, які потребують високого рівня абстракції, а також передбачають вміння учнів створювати подумки зв’язки між трьома рівнями представлення хімічних знань.

Різні аспекти ефективності використання моделей на практиці обговорено в ряді робіт. Однією з основних переваг таких моделей є те, що студенти можуть спостерігати за макроскопічними явищами реального світу, а також пробувати прогнозувати їх зміни, як результат взаємодії безлічі мікроскопічних об'єктів. Інтеграція різних рівнів хімічних знань, як показано в цілому ряді робіт, сприяє їх кращому розумінню.

Середовище NetLogo має елементи інтерфейсу, які надають студентам можливість адаптувати роботу відповідно особливостям свого пізнавального стилю. Такі елементи дозволяють:

— для динамічної візуалізації - організовувати покрокову роботу, уповільнювати / прискорювати показ, повторювати його декілька разів, щоби сконцентрувати увагу на різних аспектах зображення;

— акцентувати увагу на релевантній інформації;

— вносити зміни в параметри моделі і спостерігати, які зміни при цьому відбуваються;

— наочно показувати зв’язки між різними рівнями уявлень і здійснювати переходи між ними та ін.

комп’ютерний хімія йонний обмін

1. Літературний огляд

1.1 Методи моделювання

Моделювання — дослідження об'єктів пізнання на їх моделях; побудова та вивчення моделей реально існуючих об'єктів, процесів або явищ з метою отримання пояснень цих явищ, а також для прогнозування явищ, що цікавлять дослідника [1].

Внаслідок багатозначності поняття «модель» в науці і техніці не існує єдиної класифікації видів моделювання: класифікацію можна проводити за характером моделей, за характером модельованих об'єктів, за сферами програми моделювання (в техніці, фізичних науках, кібернетики і т. д.). Наприклад, можна виділити наступні види моделювання: інформаційне, комп’ютерне, математичне, математико-картографічне, молекулярне, цифрове, логічне, педагогічне, психологічне, фізичне, економіко-математичне, еволюційне, графічне, геометричне, хімічне (рис. 1) тощо.

Рис. 1. Схема хімічних процесів і процесів переносу в атмосфері. Приклад наукового моделювання.

Процес моделювання включає три елементи: суб'єкт (explorer), об'єкт дослідження, модель, що визначає (що відображає) відносини суб'єкта, що пізнає і пізнаваного об'єкта.

Перший етап побудови моделі припускає наявність деяких знань про об'єкт-оригіналі. Пізнавальні можливості моделі пояснюються тим, що модель відображає (відтворює, імітує) які-небудь істотні особливості об'єкта-оригіналу. Питання про необхідною і достатньою мірою подібності оригіналу і моделі вимагає конкретного аналізу. Очевидно, модель втрачає свій сенс як у випадку тотожності з оригіналом (тоді вона перестає бути моделлю), так і в разі надмірного у всіх істотних відносинах відмінності від оригіналу. Таким чином, вивчення одних сторін модельованого об'єкта здійснюється ціною відмови від дослідження інших сторін. Тому будь-яка модель заміщає оригінал лише в строго обмеженому сенсі. З цього випливає, що для одного об'єкта може бути побудовано декілька «спеціалізованих» моделей, які концентрують увагу на певних сторонах досліджуваного об'єкта або ж що характеризують об'єкт з різним ступенем деталізації.

На другому етапі модель виступає як самостійний об'єкт дослідження. Однією з форм такого дослідження є проведення «модельних» експериментів, при яких свідомо змінюються умови функціонування моделі та систематизуються дані про її поведінку. Кінцевим результатом цього етапу є безліч сукупність знань про моделі.

На третьому етапі здійснюється перенесення знань з моделі на оригінал — формування множини знань. Одночасно відбувається перехід з «мови» моделі на мовою оригіналу. Процес перенесення знань проводиться за певними правилами. Знання про моделі повинні бути скоректовані з урахуванням тих властивостей об'єкта-оригіналу, які не знайшли відображення або були змінені при побудові моделі.

Четвертий етап — практична перевірка одержуваних за допомогою моделей знань та їх використання для побудови узагальнюючої теорії об'єкта, його перетворення або управління ім.

Моделювання — циклічний процес. Це означає, що за першим циклом, що складається із 4-х етапів, може наслідувати другий, третій і т.д. При цьому знання про досліджуваний об'єкт розширюються і уточнюються, а вихідна модель постійно вдосконалюється. Недоліки, виявлені після першого циклу моделювання, обумовлені малим знанням об'єкта або помилками в побудові моделі, можна виправити в наступних циклах.

Зараз важко визначити область людської діяльності, де не застосовувалося б моделювання. Розроблені, наприклад, моделі виробництва автомобілів, вирощування пшениці, функціонування окремих органів людини, життєдіяльності Азовського моря, наслідків атомної війни. У перспективі для кожної системи можуть бути створені свої моделі, перед реалізацією кожного технічного або організаційного проекту повинно проводитися моделювання.

1.2 Комп’ютерне моделювання

Людина в будь-якій діяльності постійно користується моделями. У дитинстві люди граються з ляльками, будиночками, машинами зменшеними копіями реальних об'єктів. Для гри застосовуються не тільки готові моделі, а й створені власними руками з пластиліну, деталей конструктора. Коли дитина стає школярем, вона знайомиться з іншими моделями: глобусом, гербарієм, картою зоряного неба тощо. У кожного віку свої моделі. Дорослі люди також використовують моделі під час спорудження будинку або пошиття костюма, створення ілюстрованого журналу або розрахунку польоту ракети.

Модель — це прообраз, опис або зображення якогось об'єкта. [5]

У моделюванні є два різних шляхи. Модель може бути схожою копією об'єкта, виконаної з іншого матеріалу, в іншому масштабі, з відсутністю ряду деталей. Модель може, однак, відображати реальність більш абстрактно — словесним описом у вільній формі, описом, формалізованим за якимись правилами, математичними співвідношеннями і т.д.

Комп’ютерне моделювання — це метод вирішення задачі аналізу або синтезу складної системи на основі використання її комп’ютерної моделі. Суть комп’ютерного моделювання укладена в отриманні кількісних і якісних результатів на основі наявної моделі.

Комп’ютерні моделі звичайно розрізняють за програмним забезпеченням, яке застосовується під час роботи з моделлю. Для обробки комп’ютерних моделей використовуються існуючі програмні додатки (математичні пакети, електронні таблиці, графічні редактори тощо) або розробляються оригінальні програми за допомогою мов програмування (Ваsіс, Раsсаl, Dеlphi, С++). [6]

Комп’ютерне моделювання має ряд переваг у порівнянні з іншими підходами. Зокрема, воно дає можливість враховувати велику кількість змінних, передбачати розвиток нелінійних процесів, виникнення синергетичних ефектів. Комп’ютерне моделювання дозволяє не тільки отримати прогноз, але і визначити, які дії, що управляють приведуть до найбільш сприятливому розвитку подій.

Якісні висновки, зроблені за результатами комп’ютерного моделювання, дозволяють виявити такі властивості складної системи, як її структуру, динаміку розвитку, стійкість, цілісність та ін. Кількісні висновки в основному носять характер прогнозу деяких майбутніх чи пояснення минулих значень змінних, що характеризують систему. Одне з основних напрямів використання комп’ютерного моделювання — пошук оптимальних варіантів зовнішнього впливу на об'єкт з метою отримання найвищих показників його функціонування. [7]

Комп’ютерне моделювання як новий метод наукових досліджень ґрунтується на побудові математичних моделей для опису досліджуваних процесів; використанні новітніх обчислювальних машин, що володіють високою швидкодією (мільйони операцій в секунду) і здатних вести діалог з людиною.

Суть комп’ютерного моделювання полягає в наступному: на основі математичної моделі за допомогою ЕОМ проводиться серія обчислювальних експериментів, тобто досліджуються властивості об'єктів або процесів, знаходяться їхні оптимальні параметри і режими роботи, уточнюється модель. Наприклад, розташовуючи рівнянням, що описує перебіг того чи іншого процесу, можна змінюючи його коефіцієнти, початкові і граничні умови, досліджувати, як при цьому буде вести себе об'єкт.

1.3 Використання моделювання в хімії

На думку більшості видатних хіміків, у тому числі лауреата нобелівської премії Р. Сиборга, теоретичне моделювання є основним методом пізнання в хімії. Сутність хімічних явищ прихована від безпосереднього спостереження дослідника, тому пізнання здійснюють шляхом побудови моделі невидимого об'єкта за непрямими даними [8].

Хімія — наука експериментальна. Всі результати досліджень будови і реакцій речовин повинні перевірятися на досвіді з наступними рекомендаціями до практичного використання. Моделювання властивостей та реакційної здатності хімічних сполук — складова частина загальної стратегії досліджень, роль якої стає все більш активною. Основні причини визначаються успіхами розвитку теоретичних уявлень про будову речовин і фантастичними досягненнями комп’ютерних технологій [9].

Можна виділити наступні напрямки моделювання властивостей і динаміки молекул, результати якого досягають рівня точності, порівнянного з точністю сучасного експерименту. Насамперед, це розрахунки будови і спектрів окремих молекул і міжмолекулярних комплексів методами квантової хімії та теоретичної молекулярної спектроскопії. В даний час можна робити досить надійні прогнози для молекулярних систем з числом атомів до 100 і навіть більше.

Серед найважливіших досягнень квантово-хімічних розрахунків молекулярних систем виділимо можливість побудови поверхонь потенційної енергії [10]. Для завдань структурної хімії, як правило, достатньо обмежитися аналізом основного електронного стану, для моделювання хімічної кінетики часто необхідна також інформація про потенційних поверхнях збуджених електронних станів. Одержувані з подібних розрахунків потенціали взаємодії хімічних частинок потрібні для таких важливих прийомів моделювання в хімії, як методи молекулярної механіки, молекулярної динаміки. Число атомів в системі, властивості якої моделюють подібним чином за допомогою суперкомп’ютерів, досягає гігантських розмірів — мова вже йде про мільйони частинок. Розвиток чисельних методів розв’язання рівнянь теорії багатьох частинок дозволяє моделювати і прогнозувати властивості твердих тіл, рідин, розчинів, розраховувати характеристики процесів на поверхнях, оцінювати параметри молекулярних систем, впроваджених в порожнині каркасних сполук, інертні чи реакційні матриці, здійснювати моделювання в матеріалознавстві.

Молекулярне моделювання (ММ) — збірна назва методів дослідження структури і властивостей молекул обчислювальними методами з наступною візуалізацією результатів, що забезпечують їх тривимірне представлення при заданих в розрахунку умовах [11]. Методи молекулярного моделювання використовуються в комп’ютерній хімії, обчислювальної біології і науках про матеріали для вивчення індивідуальних молекул, так і взаємодії в молекулярних системах. Розрахунки найпростіших систем при молекулярному моделюванні можуть бути виконані вручну, але із-за великого обсягу обчислень при молекулярному моделюванні скільки-небудь складних систем, особливо при дослідженні молекулярної динаміки, використовуються комп’ютерні методи розрахунку і візуалізації, ця техніка отримала назву комп’ютерного молекулярного моделювання (англ. computer-assisted molecular modeling, CAMM) [12].

В лабораторії молекулярного моделювання та спектроскопії LMMS. GEOKHI. RU була розвинена теорія і методи розрахунків рівнів енергії і ймовірностей переходів між ними для всіх видів внутрішніх рухів атомів у молекулах, полімерах і кристалах, включаючи внутрішні обертання і переміщення атомних груп [13]. Що дало можливість легко оперувати з молекулярними моделями з дуже великою різноманітністю введених параметрів і легко переходити від одного представлення до іншого. Важливо, що запропоновані обчислювальні алгоритми дозволяють для полімерів і кристалів працювати не тільки з нескінченно протяжними системами, але і з нанооб'єктами кінцевих розмірів, вивчати поверхневі явища і т.д. Це утворює базу для вирішення багатьох завдань, пов’язаних зі створенням сучасних нанопристроїв і розвитком нанотехнологій.

Програми комп’ютерного моделювання білкових молекул на основі результатів кристалографії дозволяють отримувати наочні тривимірні зображення досліджуваних об'єктів, і по-новому осмислити дані експериментальних досліджень кінетико-термодинамічних властивостей ряду ферментів, отримані за останнє десятиліття, а, отже, виявити додаткові аспекти молекулярних механізмів ферментативного перетворення субстрату. У зв’язку з цим метою даної роботи є аналіз топології амілолітичних ферментів з використанням програми MolScript за даних рентгеноструктурного аналізу.

Моделювання хімічних реакторів застосовується для передбачення результатів протікання хіміко-технологічних процесів при заданих умовах в апаратах будь-якого розміру [14]. Спроби здійснити масштабний перехід від реактора малого розміру до промислового реактору за допомогою фізичного моделювання виявилися безуспішними через несумісність умов подібності хімічних і фізичних складових процесу (вплив фізичних факторів на швидкість хімічного перетворення в реакторах різного розміру істотно по-різному). Тому для масштабного переходу переважно використовувалися емпіричні методи: процеси досліджувалися в послідовно збільшуються реакторах (лабораторна, укрупнена, досвідчена, напівпромислова установки, промисловий реактор). Дослідити реактор в цілому і здійснити масштабний перехід дозволило математичне моделювання.

1.4 Компґютерна підтримка курсу хімії

Педагогічні програмні засоби нового покоління.

Віртуальна лабораторія

Педагогічні програмні засоби, що включають сучасні мультимедія-системи, використовуються для підтримки процесу активного сприйняття навчального матеріалу і мають низку достоїнств порівняно з друкованими й електронними версіями підручників. Саме вони останнім часом привертають підвищену увагу розробників і користувачів. По суті, «віртуальна лабораторія» є зразком такого штучного навчаючого середовища, яке дозволяє розширити кордони природного експерименту, — моделювання не лише безпосередньо спостережувані явища, але й «сутнісні» зміни (причино — наслідкові відношення) обґєктів реального світу.

У чому переваги віртуальних лабораторій? Пріоритетом віртуальної лабораторії є демонстрація ідеального фізико-хімічного експерименту. Цей експеримент завжди однаково відтворюється і відображує реальні фізико-хімічні закономірності. Окрім цього, програма «Віртуальна лабораторія» дозволяє викладачеві і школяру самостійно розвґязати низку практичних і організаційних завдань, таких як:

· підготовка учнів до хімічного практикуму в реальних умова:

a) відпрацьовування основних навичок роботи з обладнанням;

b) навчання виконання вимог техніки безпеки в безпечних умовах віртуальної лабораторії;

c) розвиток спостережливості, уміння виділяти головне, визначати цілі і задачі роботи, планувати хід експерименту, робити висновки;

d) розвиток навичок пошуку оптимального рішення, уміння переносити реальне завдання в модельні умови і навпаки;

e) розвиток навичок ведення лабораторного журналу тощо;

· проведення експериментів, недоступних (заборонених) умовами шкільної хімічної лабораторії;

· дистанційний практикум і лабораторні роботи, у тому числі робота з дітьми, що мають обмежені можливості;

· керування часом проведення експериментальної роботи;

· реальна економія хімічних реактивів і обладнання.

Опоненти віртуальних хімічних лабораторій висловлюють побоювання, що школяр через свою недосвідченість не зможе відрізнити віртуальний світ від реального. Іншими словами, модельні обґєкти, створенні компґютером, повністю витіснять обґєкти реально існуючого навколишнього світу. Це — суперечливе твердження, оскільки робота саме із знаковими системами є основою розвитку аналітико-синтетичної діяльності. Тобто мислення. І такої форми інтелектуальної діяльності, як «теоретичне мислення», не існує поза процесами абстрагування і символізації.

Віртуальна лабораторія розвґязує цілком конкретну задачу — з її допомогою дійсно можна «проблемно подати» наочний матеріал, сформувати алгоритм дослідницької дії учня. І це виявляється дуже корисним і своєчасним, особливо в умовах відсутності (з різних причин) повноцінної матеріально-технічної бази в школах. Але як психічне новоутворення, повноцінна навчальна діяльність учня (як субґєкта діяльності) формується лише в навчальному (не алгоритмізованому) діалозі з педагогом. Цього ефекту жодна програма дати не можу і ніколи не зможе. Тому використання сучасного компґютера, як інструмента в шкільній освіті, у жодному випадку не знижує провідної ролі вчителя в освітньому процесі як соціальній і гуманітарній практиці. [15]

Педагогічний програмний засіб моделювання «Органічна хімія 10−11 клас» (мультимедійний підручник) складається зі змістової частини і конструктора уроків. Навчальний матеріал структурований за темами й параграфами. Параграфи ППЗ мають зміст і можливість перегляду навчального матеріалу з будь-якої, обраної користувачами, підтеми параграфу. Змістова частина також містить опції для переходу й перегляду:

· лабораторних і практичних робіт;

· додаткової інформації, а саме: алфавітного та іменного покажчика.

ППЗ «Органічна хімія 10−11 клас» містить такі компоненти:

· текстовий виклад змісту матеріалу, що стосується будови, властивостей, добування і застосування органічних сполук, а також запитання і вправи для повторення. Завдання для самопідготовки, висновки до тем, іменний і предметний покажчик;

· портрети вчених-хіміків, фотографії лабораторного обладнання і натуральних обґєктів, що ілюструють застосування органічних речовин;

· статистичні й динамічні моделі молекул, електронних схем, ізомерів, хімічних реакцій;

· символьні обґєкти і графіку (схеми, діаграми, таблиці, малюнки), звукозаписи пояснювальних текстів.

Основна перевага електронної версії полягає в унаочненні важких для сприйняття понять електронної і просторової будови молекул органічних сполук і їхніх реакцій, зокрема:

· зображенні в динаміці електронних ефектів у молекулах, гібридизації електронів взаємного впливу атомів, механізмів реакцій;

· візуальному виділенні таких суттєвих ознак обґєктів, як хімічні звґязки, функціональні групи, реакційні центри молекул;

· моделюванні не лише будови молекул, а й хімічних процесів;

· поетапному утворенні назв органічних речовин за систематичною номенклатурою.

Програмний засіб дає змогу самостійної роботи учнів як у класі, так і вдома, здійснювати контроль і самоконтроль за допомогою розгалуженої системи навчальних завдань у традиційній і текстовій формах.

Програмно-методичний комплекс «Таблиця Менделеєва"(ChemEL) для компґютерної підтримки курсу хімії загальноосвітньої школи — це одночасно підручник і наочний посібник із загальної й неорганічної хімії. Він є інтерактивною моделлю періодичної таблиці Д.І. Менделєєва і надає такі можливості:

· наочно представляє періодичний закон на основі вивчення закономірностей зміни властивостей хімічних елементів;

· створює можливість самостійної роботи з вивчення загальної та неорганічної хімії з використанням обчислювальної техніки;

· містить засоби самоконтролю знань, що стосуються тем, повґязаних з будовою атомів, елементів та їх електронними конфігураціями;

· містить засоби вивчення сучасної номенклатури хімічних елементів українською, англійською, латинською, російською мовами.

Програмний засіб «Таблиця Менделєєва» — це досить зручний довідник, який може бути використаний для самостійного поглибленого вивчення матеріалу, що стосується певних елементів, речовин, технологій добування металів та неметалів. Для оперативного отримання значень фізичних і хімічних констант елементів і речовин зручно скористатися інформаційними вікнами, які містять нові дані про: властивості атомів елементів: атомні маси, діаметри атомів, відносні електронегативності, енергії іонізації, спорідненість до електроду, і простих речовин: густини, температури плавлення, температури кипіння, стандартні молярні теплоємності [16].

1.5 Історія та призначення NetLogo

NetLogo — програмоване навколишнє середовище моделювання для того, щоб моделювати природні і соціальні явища. Воно було створено Урі Віленськім в 1999 і знаходиться в безперервному розвитку в Центрі Зв’язаного Вивчення та Машинного Моделювання.

NetLogo застосовують, щоб змоделювати складні системи, що розвиваються протягом довгого часу. Модельєри можуть дати інструкції сотням або тисячам «агентів» незалежно. Це дозволяє дослідити зв’язок між поведінкою мікрорівня людей та зразками макрорівня, які з’являються з взаємодії багатьох людей. NetLogo дозволяє студентам відкриті моделювання та «гру» з ними, досліджуючи їх поведінку при різних умовах. Це також створює навколишнє середовище, яка дозволяє студентам, вчителям і розробникам навчального плану створити свої власні моделі. NetLogo досить простий, що студенти та вчителі можуть легко управляти моделювання або навіть побудувати їх власне. І він достатньо потужний, щоб служити сильним інструментом для дослідників у багатьох областях. У NetLogo є велика документація та навчальні програми. Це також йде з Бібліотекою Моделей, яка є великою колекцією моделювань, які можуть використовуватися і змінюватися. Ці моделювання відповідають багатьом областям у природничих науках та суспільних науках, включаючи біологію та медицину, фізику і хімію, математику та інформатику, економіку і соціальну психологію. Декілька, заснованих на моделі, навчальних планів запиту, використовуючи NetLogo, в даний час розвиваються.

NetLogo може також запропонувати інструмент participatory — моделювання класної кімнати в дію по імені HubNet. За допомогою мережевих комп’ютерів або переносних пристроїв, таких як Інструмент Техасу, що зображують калькулятори у вигляді графіка, кожен студент може управляти агентом в моделюванні. [17]

2. Експериментальна частина

2.1 Аналіз найбільш поширених помилок учнів при складанні реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді

2.1.1 Методика проведення експерименту

У експерименті приймали участь учні 9Б та 9 Г класів з Ліцею Інформаційних Технологій, 9Б та 9А — з Дніпродзержинської гімназії № 11. Учні, віком 13−14 років, робили невелику самостійну роботу на тему «Складання реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді».

Учням було запропоновано вирішити такі рівняння:

1. MgSO4 + H3PO4 >

2. MgSO4 + NaOH >

3. MgSO4 + Na2CO3 >

4. Na2CO3 + HCl >

5. дисоц. NaOH >

6. NaOH + HCl >

7. CuSO4 + NaOH >

8. Cu (OH)2 + HCl >

9. CuSO4 + BaCl2 >

10. K2CO3 + HCl >

11. NaOH + H2SO4 >

Час на цю роботу з виконанням дослідів складав 40 хвилин. Роботи учнів були перевірені. Після цього була створена таблиця найтиповіших помилок серед усіх учнів, відсоткове відношення робіт та створені графіки.

2.1.2 Результати аналізу найбільш поширених помилок учнів при складанні реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді

На Рис. 1 зображена таблиця помилки учнів у відсотках.

Рис. 1 Помилки у відсотках

На Рис. 1 бачимо, що помилок у рівняннях багато. Найменше помилок було зроблено у рівнянні дисоціації NaOH.

Перевіряючи роботи, були знайдені такі найпоширеніші помилки:

1. Невірно стоять коефіцієнти в молекулярній та в йонних формах.

2. Невірно складені формули продуктів реакції(не враховані валентності, заряди йонів).

3. Пропущені коефіцієнти перед катіонами в повній та йонній формах.

4. Пропущені коефіцієнти перед аніонами.

5. Пропущені коефіцієнти в скороченій йонній формі.

6. Написаний розпад на йони нерозчинної речовини, яка є продуктом реакції.

7. Написано розпад на йони нерозчинної речовини, яка є вихідною речовиною.

8. Не враховано, що H2CO3 розпадається на Н2О і СО2.

9. Пропущені заряди йонів.

10. Невірні заряди йонів стоять.

11. В скороченій йоній формі першим стоїть не катіон.

12. Пишуть, що розчинені речовини не розпадаються на йони.

13. Індекс йона SO4- пишуть коефіцієнтом в рівнянні.

14. ОН-групу не беруть у дужки.

15. Не скорочують однакові йони в скорочених йонних рівняннях.

16. Плутають хімічні елементи.

17. Не ставлять стрілочки «v» та «^» після формул нерозчинних речовин та газів відповідно.

На Рис. 2 зображена таблиця типових помилок знайдених під час перевірки самостійних робіт та їх кількість.

Рис. 2 Типові помилки учнів та їх кількість

Ці сімнадцять помилок можемо об'єднати у загальні три.

1. Невміння писати формули.

2. Невміння писати реакції, незнання як дисоціюють речовини, розпізнати сильні та слабкі електроліти.

3. Помилки в написанні йонно-молекулярного рівняння (стрілки, скорочення, знаки).

На Рис. 3 зображено три типові помилки та їх кількість.

Рис. 3 Три типові помилки

З діаграми 1 видно, що найбільше помилок у 9Б класу Дніпродзержинської гімназії № 11.

Діаграма 2 ЛІТ

Якщо порівнювати класи у ЛІТі, то найбільше помилок у 9Б класу (Діаграма 2).

На діаграмі 3 показано, що найбільше помилок у 9Б класу, у ЛІТі. На другому місці 9Б клас, гімназія, на третьому — 9 Г ЛІТ, четверті - 9А, гімназія.

Якщо порівнювати кількість зроблених помилок, то отримаємо діаграму 4. На ній ми бачимо, що найпоширеніша помилка з наведених трьох, це перша «Невміння писати формули».

2.2 Використання моделювання при вивченні органічної хімії за програмою «Органічна хімія. 10−11 клас. Транспортні системи»

1. Моделювання гіпотези гібридизації.

На Рис. 1−8 представлені скріншоти слайдів параграфу 4 «Метан» електронної програми, на яких пояснюється гіпотеза sp3— гібридизації орбіталей атомів Карбону молекули метану.

На Рис. 9−16 представлені скріншоти слайдів параграфу 11 «Етилен. Гомологи етилену», на яких методом моделювання розкривається поняття sp2-гібридизація атомів Карбону в молекулі етилену, утворення у- та р-зв'язків, поняття подвійного зв’язку.

В параграфі 13 «Ацетилен. Гомологи ацетилену» методом моделювання розкривається поняття потрійного зв’язку, sp — гібридизації атомних орбіталей Карбону в молекулі ацетилену.

В параграфі 14 «Бензен» розкривається поняття циклічних молекул, утворення спряженої 6р-електронної хмари в молекулі бензену, продовжується формування в учнів поняття sp2-гібридизації. На Рис. 17−20 представлені скріншоти слайдів цього параграфу.

2. Моделювання явища ізомерії.

В параграфі 5 «Склад і будова алканів» використано моделювання для пояснення явища ізомерії на прикладі створення кулестержневих моделей молекул ізомерів пентану. На Рис. 21−22 представлені скріншоти слайдів даного параграфу.

3. Моделювання процесів протікання хімічних реакцій.

В параграфі 7 електронного підручника методом моделювання представлена реакція взаємодії метану із хлором при освітлені ультрафіолетом, яка протікає з вибухом, що робить неможливим проводити її для демонстрації учням в кабінеті хімії під час навчального процесу.

Для усвідомлення процесу добування алканів за реакцією Вюрца в параграфі 8 «Добування і застосування алканів» використовується метод моделювання. На Рис. 23−24 представлені скріншоти даного процесу.

В параграфі 11 «Етилен. Гомологи етилену» змодельована реакція добування етилену дегідратацією етанолу (Рис. 25) та якісна реакція на р-

зв’язок при пропусканні етилену через розчин калій перманганату (Рис. 26).

4. Моделювання механізмів хімічних реакцій.

В параграфі 7 «Хімічні властивості алканів» та 11"Етилен. Гомологи етилену" методом моделювання пояснюється вільно-радикальний механізм реакції заміщення на прикладі галогенування насичених вуглеводнів (Рис. 27−28) та відповідно йонний механізм протікання реакцій приєднання до р-зв'язку ненасичених вуглеводнів (Рис. 29−30).

2.3 Використання моделювання при вивченні хімії за програмою «Хімія, 9 клас»

1. На Рис. 1−4 наведений приклад використання компґютерного моделювання в хімії у школі. Приклад наведений з програми «Хімія, 9 клас», урок № 4 «Спроби класифікації хімічних елементів. Поняття про лужні метали».

2. В уроці № 40 «Реакції обміну між розчинами електролітів» також бачимо приклад моделювання, який допомагає учню візуально уявити хімічні реакції, а також більш детальніше зрозуміти суть реакції.

3. На Рис. 8−16 можемо побачити візуалізацію реакції між Pb (NO3)2 та KI. Цей урок допомагає учням більш чітко зрозуміти йонно-молекулярне рівняння та навчитися його правильно писати.

4. На Рис. 17−18 в уроці № 3 «Основні закономірності хімічних реакцій» за допомогою моделювання можна побачити, як рухаються молекули та атоми в різних умовах (тиск, нагрівання) та вивчити вплив тиску та температури на стан хімічної рівноваги за принципом Ле Шательє.

5. На Рис. 19−20 зображена модель розщеплення радіоактивного випромінювання на три пучки б, в, г із уроку № 8 «Поняття про радіоактивність та будову атома».

6. В уроці № 12 «Рух електронів у атомі» учні можуть візуалізувати планетарно-квантову модель атома Резерфорда — Бора та зрозуміти поняття «спін електрона», яке важко сприймається більшістю учнів.

7. На Рис. 23−28 в уроці № 24 «Йонний звґязок» та в уроці № 23 «Полярний ковалентний звґязок» наведені моделі молекули хлору та механізм утворення йонного зв’язку та кристалічної ґратки натрій хлориду.

7. На Рис. 29−31 зображені моделі атомних та молекулярної кристалічних ґраток, які розглядаються в уроці № 25 «Кристалічні ґратки. Атомні, йонні та молекулярні ґратки».

8. На Рис. 32−35 моделюється процес розчинення речовини та механізм процесу дисоціації натрій хлориду при розчиненні у воді. Урок № 32 «Процес розчинення. Його фізико-хімічна суть. Залежність розчинності від різних чинників. Поняття про кристалогідрати».

9. На Рис. 36−41 можемо побачити як продовжується формування поняття про процес розчинення та поняття «Гідратація». Урок № 32 «Процес розчинення. Його фізико-хімічна суть. Залежність розчинності від різних чинників. Поняття про кристалогідрати».

10. В уроці № 33 «Будова молекули води. Вода як полярний розчинник. Роль води як розчинника у живій природі» за допомогою моделювання учні зґясовують, які особливості будови молекули води зумовили її здатність бути універсальним розчинником, продовжується формування поняття про процес дисоціації. На Рис. 42−46 зображено процес моделювання з цього року.

11. Моделювання, яке представлено на Рис. 47−56 в уроці № 47 «Хімічні властивості металів», допомагає учням поглибити свої знання про хімічні властивості металів на прикладі взаємодії металів із розчинами кислот та солей менш активних металів.

12. В уроці № 50 «Електроліз розплавів солей та лугів, його суть» за допомогою моделювання розглядається суть електролізу розплаву NaCl.

2.4 Аналіз існуючих моделей «NetLogo» щодо вирішення визначених проблем

Модель № 1 «Велосипедна шина (Bike Tire)» являє собою поведінку частинок газу в контейнері, який може мати різний обґєм и пропорції (Рис. 1). Число частинок, що додаються всередину контейнера чи з його зовнішньої сторони, можна змінювати, так як і правила їх взаємодії (відскакують чи вони від стінок, зіштовхуються чи вони один з одним).

Проста модель (Рис. 2) допомагає звикнути користувачу до інтерфейсу NetLogo, оцінити можливі модельні обмеження і спрощення, перш ніж почати виконувати аналіз даних та математичне моделювання задач.

Модель № 2 «Зміна тиску (Changing Pressure)» досліджує відносини між числом частинок і тиском газу в контейнері з фіксованим обсягом. Модель імітує ефект накачування велосипедної шини (Рис. 3). Число частинок можна змінювати від початку і в процесі «накачування шини», додаючи порції газу через клапан на лівій стінці контейнера.

Ця модель допомагає вивчити поведінку частинок газу (Рис. 4), яке призводить до збільшення або зменшення тиску, розглянути співвідношення між числом частинок і тиском.

Модель № 3 «Рух частинок (Circular Particles)» є більш точною і призначена для дослідження зміни співвідношення кінетичної енергії частинок під час їх зіткнень. Для розрахунків приймають, що частинки мають круглу форму і певний розмір, на відміну від моделювання частинок у вигляді безрозмірною точки, як у попередніх моделях (Рис. 5). Зіткнення частинок розглядають як пружне. Обмін кінетичної енергії і імпульсу між двома частинками відбувається згідно із законами збереження енергії та імпульсу вздовж осі зіткнення.

Потім обчислюється кут, швидкість і напрямок руху частинок (Рис. 6). У моделі використовуються колір для візуалізації швидкості частинок, виділення окремої частки на тлі інших.

Модель № 4 «Число частинок та тиск (Number and Pressure)» дозволяє встановити зв’язок між кількістю часток газу в контейнері і тиском в системі (Рис. 7). Додаючи певні порції частинок в контейнер і здійснюючи вимірювання тиску, учні самостійно виводять рівняння відповідної математичної залежності (Рис. 8).

Модель № 5 «Температура та тиск (Temperature and Pressure)» призначена для дослідження відносини між температурою і тиском газу в контейнері з фіксованим обсягом. Можна варіювати число часток і температуру газу, за допомогою нагрівання або охолодження стінок контейнера (Рис. 9).

Особливістю моделі є можливість зміни декількох параметрів: числа частинок і температури газу, і вивчення комбінованого їх впливу на тиск.

Для візуалізації нагріву стінок контейнера використовують зміну їх кольору. Темно-червоний колір позначає низьку температуру (Рис. 10). Перехід від яскраво -червоного кольору через рожевий в його бліді відтінки показує зростання температури (Рис. 11). Стінки мають постійне значення температури протягом роботи моделі.

Модель № 6 «Обґєм та тиск (Volume and Pressure)» дозволяє регулювати обсяг і розмір контейнера з газом. Ця модель призначена для дослідження відношення між обсягом контейнера і тиском газу в посудині при постійній температурі. Вона дозволяє вивчити відношення між числом частинок і тиском, об'ємом контейнера і тиском газу.

У моделі регулюється обсяг контейнера і може змінюватися число частинок (Рис. 12). Коригування факторів може здійснюватися одночасно, що дозволяє розглядати їх комбінований вплив.

Модель № 7 «Закон ідеального газу (Ideal Gas Law)» досліджує відносини між числом частинок, об'ємом контейнера, тиском і температурою газу.

У цій моделі контейнер має регульовані: обсяг, число часток і температуру.

Частинки моделюються як кульки без внутрішньої енергії, за винятком енергії, пов’язаної з їх рухом (Рис. 13). Сутички між частками є пружними.

Частинки можуть бути пофарбовані для кращої візуалізації їх швидкості.

При нагріванні стінок контейнера вони будуть змінювати колір. Темно-червоний колір позначає нижчу температуру. Зміна кольору від яскраво-червоного до білого (через рожевий і блідо-рожевий) позначає підвищення температури. Білий колір — найгарячіші стінки. Температура стінок після встановлення залишається постійною протягом досвіду.

Модель № 8 «Редактор моделей з частинками (Рarticle sandbox)"передбачає:

— Можливість самостійного малювання контейнерів різної форми, що містять газ;

— Додавання / видалення стінки контейнера;

— Додавання / видалення стінки-перегородки, яка знаходиться поза контейнера.

За допомогою такої моделі можна змоделювати дифузію запаху парфумерії з відкритого контейнера, змішання гарячого газу з холодним, змішання газів і т.д. (Рис. 14).

Правила поведінки частинок при зіткненні один з одним і зі стінками аналогічні Моделі 7.

Контейнер може бути нагрітий, температура стінок візуалізується кольором також як в Моделі 7 (холодні-темно-червоний, гарячі - блідо-рожевий, білий). Задана температура підтримується постійною під час всього моделювання.

2.5 Застосування моделі NetLogo для вивчення теми «Реакції йонного обміну»

2.5.1 Опис моделі

Для візуалізації реакцій йонного обміну учням були представлені 3 моделі написання на мові NetLogo.

Перша модель (Рис. 1−2) була представлена на дисоціацію HCl, рівняння якої має такий вигляд: HCl -H++Cl-

Друга модель (Рис. 3−4) була на дисоціацію NaOH, рівняння якої має вигляд: NaOH-Na++OH-

Третя модель (Рис. 5−6) візуалізує реакцію обміну між NaOH та HCl. Рівняння реакції:

NaOH + HCl = NaCl+H2O

Na+ + OH- + H+ + Cl- = Na+ + Cl- + H2O

H+ + OH- = H2O

2.5.2 Методика проведення експерименту

У повторному експерименті приймали участь 9 Г та 9Б класи з ЛІТу. (Рис. 1−8). Перед проведенням повторної самостійної роботи учням запропоновано було подивитися моделі NetLogo, які допомогли їм краще зрозуміти реакції йонного обміну. Учні, віком 13−14 років, робили невелику повторну самостійну роботу на тему «Складання реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді». Учням було запропоновано скласти рівняння реакцій, в яких вони найбільше помилок припустилися в попередній роботі:

12. MgSO4 + H3PO4 >

13. NaOH + H2SO4 >

14. Cu (OH)2 + HCl >

15. K2CO3 + HCl >

16. Na2CO3 + HCl >

Час на цю роботу з демонструванням моделей складав 15−20 хвилин. Роботи учнів були перевірені. Після цього результати до та після демонстрації моделей були порівнянні та була зроблена таблиця порівняння.

2.5.3 Результати експерименту

В таблиці 1 та діаграмах 1−3 зображено порівняльні результати до та після демонстрації моделей NetLogo.

Таблиця 1. Порівняння результатів контролю навчальних досягнень учнів 9Б та 9 Г класів ЛІТу до і після використання програми NetLogo

Результати контролю навчальних досягнень учнів 9 Г класу представлені на діаграмі 2, а учнів 9Б класу на діаграмі 3.

Із результатів порівняння навчальних досягнень учнів двох 9-х класів ЛІТу до і після використання моделей програми NetLogo, представлених в таблиці 1 можна зробити висновок, що учні 9 Г класу покращили свою успішність на 22, 32%, а учні 9Б класу — на 29,84%.

На основі результатів дослідження можна зробити висновок, що використання методу моделювання в програмі NetLogo підвищує ефективність засвоєння учнями теми «Електролітична дисоціація Арреніуса» та «Реакції йонного обміну між розчинами електролітів».

Висновок

1. Моделювання будови, властивостей та реакційної здатності хімічних сполук — складова частина загальної стратегії досліджень, роль якої стає все більш активною.

2. Комп’ютерне моделювання є одним з ефективних методів вивчення складних систем.

3. Педагогічні програмні засоби, що включають сучасні мультимедія-системи, використовуються для підтримки процесу активного сприйняття навчального матеріалу і мають низку достоїнств порівняно з друкованими й електронними версіями підручників.

4. Основна перевага електронної версії педагогічного програмного засобу моделювання «Органічна хімія 10−11 клас» полягає в унаочненні важких для сприйняття понять електронної і просторової будови молекул органічних сполук і їхніх реакцій.

5. «Віртуальна лабораторія» є зразком штучного навчаючого середовища, яке дозволяє розширити кордони природного експерименту, — моделювання не лише безпосередньо спостережувані явища, але й «сутнісні» зміни (причино — наслідкові відношення) обґєктів реального світу.

6. Використання методу моделювання в програмі NetLogo підвищує ефективність засвоєння учнями теми «Електролітична дисоціація Арреніуса» та «Реакції йонного обміну між розчинами електролітів».

Список літератури

1. Глинский Б. А. Моделирование как метод научного исследования. М., 1965.

2. Мамедов Н. М. Моделирование и синтез знаний. Баку, 1978.

3. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. -- М.: Наука, 1997. -- 320 с. -- ISBN 5−9221−0120-X.

4. Уємов А. И. Логические основы метода моделирования. М., 1971.

5. Журнал «Компґютер у школі та сімґї» № 5, 2013 Урок на тему «Моделі та моделювання» с. 5−7.

6. Інтернет — ресурс [http: //www. br. com. ua/referats/Computers/1768. htm].

7. Інтернет — ресурс [http: //www. mista. ru/gorod/diplom/23. htm].

8. D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, 1996, ISBN 0−12−267 370−0.

9. A.R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, 2001, ISBN 0−582−38 210−6.

10. Інтернет — ресурс [http: //www. lmms. ru].

11. Ковалева Т. А., Кожокина О. М., Битюцкая Л. А., Дронов Р. В., Мельников Л. Ю. «Компьютерное моделирование структуры амилолитических ферментов». Інтернет — ресурс [http: //www. library. biophys. msu. ru/mce/20 022 807. htm].

12. Немухин А. В. «Компьютерное моделирование в химии»: Соросівський Освітній Журнал. Химия. 1998. [http: //www. pereplet. ru/obrazovanie/stsoros/567. html].

13. Н. Ф. Степанов. «Потенційні поверхні та хімічні реакції»: Соросівський Освітній Журнал. 1996. № 10. С. 33−41.

14. Інтернет — ресурс [http: //www. eng. ru/ximiya/metod_modelirovaniya_v_ximii. html].

15. Журнал «Компґютер у школі та сімґї» № 8, 2011.

16. Журнал «Компґютер у школі та сімґї» № 4, 2011.

17. Патаракин Е. Д., Ярмахов Б. Б. «Моделирование организационных отношений с использованием „связей“ Netlogo».

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой