Введение

Характер познавательной деятельности учащихся определяется не только целями и задачами обучения, но и содержанием учебного материала, формами организации работы с ними.

Развитие познавательной деятельности предусматривается и в требованиях предметными умениями, таких, например, как умение пользоваться химическим языком. Химический язык включает в себя несколько компонентов знаний, один из которых символика. Учащиеся 5-7-х классов успешно овладевают этим компонентом, используя компьютерную программу "Химическая энциклопедия”, которая является обучающейся программой и используется на пропедевтических занятиях.

Глава 1. Компьютерные технологии на уроках химии

Характер познавательной деятельности учащихся определяется не только целями и задачами обучения, но и содержанием учебного материала, формами организации работы с ними.

Развитие познавательной деятельности предусматривается и в требованиях предметными умениями, таких, например, как умение пользоваться химическим языком. Химический язык включает в себя несколько компонентов знаний, один из которых символика. Учащиеся 5-7-х классов успешно овладевают этим компонентом, используя компьютерную программу "Химическая энциклопедия”, которая является обучающейся программой и используется на пропедевтических занятиях.

Знание знаков химических элементов позволяет учащимся изображать состав и строение веществ с помощью химических формул, а свойства и способы их получения с помощью уравнений химических реакций при изучении систематического курса химии в 8-х классах.

Развитие знаний химического языка продолжается через компьютерную программу " Органическая химия", состоящую из нескольких блоков:

1. номенклатура органических веществ,

2. составление структурных формул,

3. химические свойства органических веществ.

Эта программа успешно используется в 10 - 11 классах как средство самоконтроля при подготовке к обобщающим урокам и контроля знаний.

Отличительная черта компьютерной программы " Производство серной кислоты" - широкое использование моделирования химических процессов, протекающих в специальных устройствах, что позволяет обучаемому сконцентрировать свое внимание на основных особенностях рассматриваемых процессов.

Организовать и тем более достичь развитие познавательной деятельности учащихся в процессе выполнения ими химического эксперимента несомненно сложно. Компьютерная программа "Химик" - одна из форм проведения химического эксперимента, признаки химических реакций сопровождаются изменением цвета, появлением осадка, газа.

Большое значение для развития познавательной деятельности учащихся имеют упражнения в решении расчетных задач. Компьютерную программу "Решение задач по химии " можно использовать как обучающую и контролирующую. В программе представлены задачи разной степени сложности, показаны алгоритмы их решений.

Сегодня компьютерные технологии всё шире используются в практике преподавания не только информатики, но и других дисциплин как математика, физика, биология, химия. Опыт работы показал, что компьютерные технологии непременно должны сочетаться с традиционными формами обучения химии. Полученная здесь информация передается при работе с компьютером, где происходит закрепление знаний повышение их прочности.

Глава 2. Компьютерная химия

Компьютерная химия (Математическая химия) -- сравнительно молодая область химии, основанная на применении теории графов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера. Исходя из общего определения химии как науки о веществах и превращениях их в друг друга, можно сказать, что вещества (молекулы) моделируются в компьютерной химии молекулярными графами, а превращения веществ (химические реакции) -- формальными операциями с графами. Такой формально-логический подход в ряде случаев заметно упрощает алгоритмизацию химических задач, сводя их к типовым задачам комбинаторики и дискретной математики и позволяет искать решения с помощью компьютерных программ. При этом наряду со специальными программами в компьютерной химии могут применяться и универсальные программы: для работы с таблицами, математические программы (например, Maple или Mathematica) и т. д.

В качестве примера типовых задач компьютерной химии можно назвать: поиск зависимостей типа «структура -- свойство»; генерацию наборов химических структур, отвечающих заданным параметрам (составу, наличию функциональных групп и т. д.); перечисление всевозможных химических реакций между заданными реагентами (так называемый «компьютерный синтез») и т. д. Наряду с общими химическими задачами в компьютерной химии существует также большая группа узкоспециальных задач, тесно связанных с задачами химической информатики, например, задачи распознавания химических структур при обращении к химическим и физико-химическим базам данных. Эта группа задач в свою очередь тесно связана с проблемой изоморфизма графов.

При решении задач компьютерной химии широко используются различные вычислительные методы и операции с топологическими индексами (инвариантами графов). В ряде случаев формально-логический подход расширяется химическими подходами, например, в дополнение к топологическим индексам, отражающим строение молекулы, используются электроотрицательности атомов в молекуле, отражающие состав вещества. Методы компьютерной химии часто используются в сочетании с методами квантовой химии, молекулярной механики и др. Для обработки результатов вычислительного эксперимента широко применяются методы математической статистики. В некоторых случаях для поиска решений применяются методы искусственного интеллекта.

Особую роль методы компьютерной химии играют в органической химии, что объясняется трудной формализуемостью последней, как по сравнению с другими естественными науками, например, с физикой, так и по сравнению с другими областями химии, например, с неорганической химией. Компьютерная химия имеет большое значение и для многих важнейших областей биохимических исследований, например, при решении задач типа «структура-фармакологическая активность», часто в таких исследованиях методы компьютерной химии дополняются методами моделирования, специфическими для молекулярно-биологических систем.

В период становления и формирования в самостоятельную область новое научное направление нередко получает разные названия у разных авторов. Так произошло и с компьютерной химией: исторически закрепились два названия -- «компьютерная химия» и «математическая химия». Так, один из научных журналов, оказавший значительное влияние на становление компьютерной химии, называется «Journal of Mathematical Chemistry». Однако название «математическая химия» представляется неудачным, если учесть, что многие области химии, сформировавшиеся задолго до появления компьютерной химии, изначально были основаны на математическом фундаменте, например, физическая химия, кинетика и катализ, квантовая химия. При том, что ряд основополагающих работ в компьютерной химии был выполнен во время ЭВМ первых поколений, развитие компьютерной химии стало возможным только с появлением современных компьютеров. Несмотря на то, что сегодня компьютеры используются практически во всех областях современной химии как для теоретических так и для экспериментальных исследований, именно компьютерная химия гораздо больше многих других областей химии зависит от уровня развития компьютерных технологий. Такая зависимость связана прежде всего со спецификой важнейших алгоритмов теории графов, многие из которых имеют экспоненциальную вычислительную сложность -- теоретическая оценка времени, затраченного на исполнение алгоритма, является экспоненциальной функцией от размера графа, то есть от количества его вершин и ребер, или говоря общехимическим языком -- от числа атомов и химических связей в молекуле.

С другой стороны, многие задачи химической информатики, решаемые с помощью методов компьютерной химии, уже по своей постановке невозможны без использования компьютера, например, формирование и эксплуатация компьютерной базы 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 и реферативные журналы, отпечатанные на бумаге. Существуют зарекомендовавшие себя и ставшие классическими методы поиска по этим изданиям с применением всевозможных печатных указателей (авторского, предметного, формульного и т. д.), организуемые без привлечения аппарата компьютерной химии. Таким образом, в отличие от компьютерной химии, химическая информатика, как и подавляющее большинство традиционных областей химии, основана на применении докомпьютерных технологий. В этом и заключается основное методологическое отличие компьютерной химии. С известной долей неточности можно утверждать, что если целью большинства химических исследований является установление некоторых химических закономерностей, то целью исследований в компьютерной химии является, как правило, некоторый алгоритм и реализующая его компьютерная программа, позволяющая искать химические закономерности, эксплуатация такой программы может проходить уже вне области компьютерной химии.

Глава 3. Мультимедийные технологии как средство повышения эффективности обучения в школе

Современная школа с ее проблемами заставляет думать о том, как сделать процесс обучения более результативным. Как учить так, чтобы ребенок проявлял интерес к знанию.

Компьютерные технологии предоставляют огромные возможности для развития процесса образования, формирования информационно-образовательной среды, основу которой составляют компьютерные информационные источники, электронные библиотеки, видео- и аудиотеки, видеоконференции и другие приложения сферы образования. При разработке такой среды упор делается на самостоятельную работу обучающихся, их коллективное творчество, проведение мини-исследований различного уровня. Образовательный процесс характеризуется, в первую очередь, тем, что он интерактивен в своей организации, имеет конкретную предметную область познания и реализует технологии доступа к образовательным ресурсам. Эффективность образовательного процесса во многом определяется обеспечением условий дружественного взаимодействия пользователей и информационно-образовательной среды с помощью телекоммуникационных средств.

Совместимость информационно-коммуникационных технологий с традиционными средствами и формами обучения - один из важных методических принципов их применения.

В отличие от обычных технических средств обучения ИКТ позволяют не только насытить обучающегося большим количеством готовых, строго отобранных, соответствующим образом организованных знаний, но и развивать интеллектуальные, творческие способности учащихся.

Ещё К.Д. Ушинский заметил: “Детская природа требует наглядности”. Наглядность материала повышает его усвоение, т.к. задействованы все каналы восприятия учащихся - зрительный, механический, слуховой и эмоциональный. Разумное использование в учебном процессе наглядных средств обучения играет важную роль в развитии наблюдательности, внимания, речи, мышления учащихся.

Компьютер в настоящее время способен манипулировать звуком и видео для достижения спецэффектов, синтезировать и воспроизводить звук и видео, включая анимацию и интеграцию всего этого в единую мультимедиа-презентацию.

Использование мультимедийных презентаций целесообразно на любом этапе изучения темы и на любом этапе уроке. Данная форма позволяет представить учебный материал как систему ярких опорных образов, что позволяет облегчить запоминание и усвоение изучаемого материала. Подача учебного материала в виде мультимедийной презентации сокращает время обучения, высвобождает ресурсы здоровья детей. Учеников привлекает новизна проведения таких моментов на уроке, вызывает интерес.

За время работы в гимназии в кабинете создана и пополняется медиатека, которая позволяет подбирать необходимый к уроку материал. К созданию медиатеки активно привлекаются учащиеся, владеющие технологией создания мультимедийных презентаций, содержащих информацию и иллюстративный 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, что делает подачу учебной информации более интересной и запоминающейся.

При использовании мультимедиа-презентаций в процессе объяснения новой темы достаточно линейной последовательности кадров, в которой могут быть показаны самые выигрышные моменты темы. На экране могут также появляться определения, схемы, которые ребята списывают в тетрадь, тогда как учитель, не тратя время на повторение, успевает рассказать больше. Показ такой презентации (который в этом случае представляет собой нечто вроде конспекта теоретического материала по данной теме) производится преподавателем на одном компьютере (желательно с применением средств проекции). Используя возможности мобильного класса, такой презентацией можно воспользоваться для самоподготовки учащихся. Переход от кадра к кадру в этом случае запрограммирован только по нажатию клавиш или по щелчку мышью, без использования автоматического перехода по истечении заданного времени, поскольку время, требуемое для восприятия учащимися того или иного кадра с учетом дополнительных объяснений, может быть различным в зависимости от уровня подготовки учащихся.

Сейчас существует достаточно большое количество обучающих компьютерных программ (тестов), которые используются для контроля и усвоения знаний.

При создании теста с выбором ответа на компьютере, можно организовать вывод реакции о правильности (не правильности) сделанного выбора или без указания правильности сделанного выбора. Можно предусмотреть возможность повторного выбора ответа. Такие тесты должны предусматривать вывод результатов о количестве правильных и не правильных ответов. По результатам таких тестов можно судить о степени готовности и желании учеников изучать данный раздел.

Использование компьютерного тестирования повышает эффективность учебного процесса, активизирует познавательную деятельность школьников. Тесты могут представлять собой варианты карточек с вопросами, ответы на которые ученик записывает в тетради или на специальном бланке ответов, по желанию учителя смена слайдов может быть настроена на автоматический переход через определенный интервал времени.

Цель работы состоит в развитии творческого подхода к овладению знаниями по предмету (химии). Учащимся часто предлагается разработать ряд тестовых заданий по предложенной теме, затем набрать их в программе, позволяющей пользоваться этими тестами в электронном варианте.

Чтобы выполнить такое задание, учащиеся должны были более глубоко изучить необходимый раздел химии или несколько разделов, сформулировать контрольные вопросы, отражающие суть темы и дать несколько вариантов ответов (правильных и неправильных). Данный подход учит самостоятельности в работе с литературой, логическому мышлению, умению формализовать полученные знания.

Благодаря электронным пособиям учащиеся могут побывать в виртуальной лаборатории, провести виртуальный эксперимент, изучить физические и химические свойства веществ, что активизирует познавательный интерес учащихся. В условиях ограниченной оснащенности лаборатории это становится особенно актуальным.

Появление в кабинете интерактивной доски позволяет планировать создание в будущем совместного интеллектуального продукта. Учащиеся начинают понимать более сложный материал в результате более ясной, эффективной и динамичной подачи. Можно активно комментировать материал: выделять, уточнять, добавлять посредством электронных маркеров с возможностью изменить цвет и толщину линии, делать пометки прямо поверх изображения. Часть изображения можно закрыть “Шторкой” или высветить “Прожектором”. Все можно сохранить и при необходимости повторить. Благодаря наглядности и интерактивности, класс вовлекается в активную работу. Обостряется восприятие. Повышается концентрация внимания, улучшается понимание и запоминание материала.

Изучение любой дисциплины с использованием ИКТ дает детям возможность для размышления и участия в создании элементов урока, что способствует развитию интереса школьников к предмету. Классические и интегрированные уроки в сопровождении мультимедийных презентаций, on-line тестов и программных продуктов позволяют учащимся углубить знания, полученные ранее, как говорится в английской пословице - “Я услышал и забыл, я увидел и запомнил”. Применение информационных технологий на уроках направлено на совершенствование существующих технологий обучения. Они приносят в известные методы обучения специфический момент за счет усиления исследовательских, информационно-поисковых и аналитических методов работы с информацией.

Глава 4. О компьютерном подходе к решению расчетных химических задач

Вооружение учащихся знаниями и навыками использования современных ЭВМ в учебном процессе, на наш взгляд, один из наиболее. перспективных путей повышения эффективности обучения. Применение современных ЭВМ, в частности, при обучении химии не может сводиться лишь к ускорению расчетов. Оно должно быть направлено на более глубокое понимание учащимися изучаемых процессов и явлений.

Решение расчетных химических задач -- первый этап применения ЭВМ в процессе обучения химии. Изучение количественных отношений в химии должно способствовать приобретению учащимися прочных знаний, развитию логического мышления при изучении химических явлений. Углубленное и четкое усвоение учащимися методики решения расчетных задач необходимо для более глубокого осмысливания теоретических положений, лежащих в основе расчетов.

Методика освоения задач каждого нового типа базируется на машинной логике и включает следующие этапы:

1) рассмотрение нескольких задач одного типа;

составление алгоритмов решения всех этих задач;

сравнительный анализ решений, выявление общего в составленных алгоритмах;

составление обобщенного алгоритма решения (при этом формулируются общие признаки, присущие данному типу задач);

5) составление программы вычислений для данного типа задач согласно обобщенному алгоритму.

В этой методике основное место отводится составлению алгоритма решения. Под алгоритмом, как известно, понимается последовательность точно сформулированных правил решения данной задачи. Алгоритм можно рассматривать: как план решения задачи.

В результате освоения каждого нового типа задач учащиеся составляют так называемую карту этого типа задач, содержащую обобщенный алгоритм, и, соответственно, программу вычислений. Эта карта содержит также контрольную задачу с ответом и с указанием времени автоматического выполнения программы. Приведем подробный пример составления одной из карт.

Название типа задач. Вычисление по химическому уравнению масс веществ по известной массе вещества (одного из вступающих или получающихся в результате реакции).

Условие (в общем виде): по уравнению химической реакции aA+6B=cC+dD вычислить массу вещества А (т*(А) г), необходимую для получения порции вещества С известной массы («'(С) г).

Составление алгоритма решения.

I. Нахождение исходных данных.

Так как по условию задачи надо определить массу одного вещества по известной массе другого вещества, для решения задач этого типа необходимо использовать соотношение m=vM где m -- масса вещества (г), М -- молярная масса вещества... (г/моль). Известно, что уравнение химической реакции выражает соотношение, числа молей веществ, участвующих и полученных, в. этой реакции, т. е. количества веществ ^V(A) и v(C), соответственно, прямо пропорциональны коэффициентам в уравнении реакции, отсюда v(A) моль=а, v(C) моль=с.

Анализируя химические формулы веществ А и С и используя таблицу относительных атомных масс, рассчитываем недостающие исходные данные: относительные молекулярные массы ЛТ_Г(А) и Af_r(C), а так как численные значения относительных молекулярных и молярных масс равны, недостающими исходными данными будут: М(А) г/моль=Л7_г(А),. Л1(С) г/моль=Л(_г(С).

Используя исходные данные, приступаем к составлению алгоритма решения.

Программа вычислений (составляется согласно алгоритму решения).

Для удобства работы программа оформлена в виде табл. 1, рядом указано, в каких регистрах памяти хранятся исходные данные и результаты промежуточных вычислений. Приведенная программа имеет девять шагов.

В левом столбце таблицы указан номер (адрес) шага, в среднем столбце проставлена последовательность команд, составляющих содержание программы, в правом столбце содержатся пояснения, раскрывающие смысл и назначение каждой команды (комментарий).

Контрольная задача (позволяет убедиться в отсутствии ошибок в программе).

Исходя из уравнения химической реакции СаО+Н₂0=Са(ОН)₂, вычислить массу оксида кальция, необходимую для получения гидроксида кальция массой 37 г.

Заносим исходные данные в регистры памяти (табл. 2).

Время автоматического выполнения программы -- 5 с.

Ответ: 28, следовательно, масса оксида кальция равна 28 г.

Таким образом мы составляем пакет карт для решения задач разных типов (сейчас в литературе для этого используется термин «пакет прикладных программ»).

Использование калькуляторов только для выполнения арифметических действий при решении расчетных химических задач, конечно, может решить на первый взгляд целый ряд проблем, например на первом этапе у учащихся повышается интерес к задачам, учитель имеет возможность экономить время урока. Однако если компьютеризацию рассматривать только в этом плане, т. е. использовать калькуляторы только для расчетов, не обращая серьезного внимания на алгоритм решения задачи, то такое применение калькуляторов на уроках химии может оказаться даже вредным с точки зрения освоения предмета.