Сторінка
1

Комп'ютерна підтримка курсу хімії

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.

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.

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.

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.