Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.
Наиболее распространенным изображением атома является модель, напоминающая строение Солнечной системы.
Для моделирования молекул веществ часто используют шаростержневые модели. Модели этого типа собирают из цветных шариков, обозначающих входящие в состав молекулы атомы. Шарики содиняют стержнями, символизирующие химические связи. С помощью шаростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в молекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, поскольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны длинам связей.
Модели Дрединга достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.
Полусферические модели, называемые также моделями Стюарта – Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кнопок. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и заполненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном расположении ядер[25].
Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии.
Однако чаще химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями – это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается справа от знака химического элемента.
Химическая формула – основная знаковая модель в химии. Она показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества; качественный состав вещества, т.е., атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е., сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества[4].
Все вышеприведенные модели широко используются при создании интерактивных компьютерных моделей.
Среди различных типов педагогических программных средств особо выделяют те, в которых используются компьютерные модели. Применение компьютерных моделей позволяет не только повысить наглядность процесса обучения и интенсифицировать его, но и кардинально изменить этот процесс. В последние годы совершенствование компьютеров проходит бурными темпами, и их возможности для моделирования стали практически безграничными, поэтому значение компьютерных моделей при изучении школьных дисциплин может существенно возрасти. Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин, В.Н. Лихачев отмечают, что основное преимущество компьютерных моделей – возможность моделирования практически любых процессов и явлений, интерактивного взаимодействия пользователя с моделью, а также осуществления проблемного, исследовательского подходов в процессе обучения[23].
В. Н. Лихачев предлагает классифицировать учебные компьютерные модели по ряду критериев, основными среди которых являются наличие анимации при отображении модели, способ управления, способ визуального отображения модели. По наличию анимации УКМ могут быть динамическими и статическими. Динамические содержат анимационные фрагменты для отображения моделируемых объектов и процессов, в статических они отсутствуют. По способу управления УКМ могут быть управляемые, которые позволяют изменять параметры модели, и неуправляемые, которые такой возможности не предоставляют.
Среди демонстрационных (неуправляемых) моделей можно выделить еще две группы по возможности взаимодействия с пользователем: интерактивные и неинтерактивные. Интерактивные позволяют изменять вид отображения модели или точку наблюдения на модель, не изменяя при этом ее параметров. Неинтерактивные таких возможностей не предоставляют[21].
Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин и В.Н. Лихачев считают наиболее полезной с методической точки зрения классификацию по моделирующему объекту. По уровню представляемых объектов модели, используемые в преподавании химии, можно разделить на две группы: модели макромира, которые отражают внешние свойства моделируемых объектов и их изменениеи модели микромира, которые отражают строение объектов и происходящие в них изменения на уровне их атомно-молекулярного представления. А модели таких объектов, как химические вещества, химические реакции и физико – химические процессы, могут быть созданы как на уровне микромира, так и на уровне макромира[23].
Классификацию УКМ можно представить в виде схемы для большей наглядности.
Объектами для моделирования на уровне микромира являются атомы, ионы, молекулы, кристаллические решетки, структурные элементы атомов. На уровне микромира моделируются особенности строения вещества, взаимодействия частиц, из которых состоит вещество. Для моделирования химических реакций на уровне микромира большой интерес представляют механизмы протекания химических процессов. А в моделях физико-химических процессов рассматриваются процессы, происходящие на электронном или атомно-молекулярном уровне.
Понятно, что УКМ, моделирующие модели микромира, становятся отличными помощниками при изучении строения атомов, типов химической связи, строения вещества и т.д.[23].
Модели атомов 1 – 3 периодов периодической таблицы Менделеева реализованы в программе «1С: Репетитор. Химия» в виде моделей атома Бора. Более современные представления о строении атома реализованы в программе ChemLand, где рассматривается распределение электронов по энергетическим подуровням атомов элементов и вид отдельных орбиталей на различных энергетических уровнях.
Особый интерес представляет программа HyperChem. Она представляет собой одну из основных профессиональных программ для теоретического расчета различных термодинамических и электронных параметров молекул. С ее помощью оказывается возможным строить пространственные модели различных соединений, изучать особенности их геометрического строения, определять форму и энергию молекулярных орбиталей, характер распределения электронной плотности, дипольный момент и т. д. Все выходные данные предоставляются в виде цветных рисунков, которые затем можно распечатать на принтере, получая качественное изображение химических соединений в требуемых ракурсах и проекциях. Достоинством программы является возможность рассмотреть молекулу с разных сторон, ознакомиться с особенностями ее пространственного строения. Это представляется чрезвычайно важным, поскольку, как показывает практика преподавания, у учеников обычно не формируется представления о молекулах как о пространственных структурах. Традиционное изображение химических веществ в одной плоскости приводит к потере целого измерения и не стимулирует развития пространственного воображения[13].
В мультимедийном курсе «Химия для всех» используется программа – стереодемонстратор молекул. Она позволяет предоставлять объемные изображения молекул, состоящих из атомов водорода, кислорода, углерода и азота. Для демонстрации используют каркасные модели молекул. Модели можно перемещать, поворачивать, демонстрировать одновременно изображения нескольких различных молекул. Программа позволяет создавать новые модели молекул самостоятельно. Всего приведены модели 25 органических молекул, однако дидактическая ценность этих моделей невелика, так как предоставлены модели достаточно простых соединений, которые каждый школьник сможет собрать, используя пластилин и спички.
Демонстрационные орбитально-лопастные трехмерные модели некоторых молекул реализованы в программе «Метод валентных связей: гибридизация атомных орбиталей». А в программе «Природа химической связи» объясняются причины возникновения химической связи на примере образования молекулы водорода из атомов. Обе указанные программы входят в комплект обучающих программ «Химия для всех – 2000».
Интерактивные демонстрационные каркасные модели используются в программах ChemLand – 115 молекул преимущественно органических соединений, и «Химия для всех». У этих двух программ есть свои плюсы и минусы: в программе «Химия для всех» модели можно демонстрировать на полный экран монитора, а в программе ChemLand такой функции нет, однако, в программе представлено большое количество молекул. В программе ChemLand используются динамические модели, демонстрирующие пространственное строение молекул с возможностью измерения валентных углов и длин связей, что позволяет проследить изменение полярности треугольной молекулы в зависимости от типа атомов.