Современные информационно-коммуникационные технологии существенно облегчают преподавание естественнонаучных дисциплин, в том числе химии, благодаря возможности визуализации трудно воспринимаемых понятий и ситуаций [1]. Цифровые инструменты в образовании – это способ организации современной образовательной среды. Они разрабатываются для развития качества обучения, скорости, а также привлекательности передачи информации при обучении [2]. При этом происходит кардинальное изменение структуры обучения и организации образовательного процесса, в связи с чем одной из актуальных проблем становится обновление методов создания и предоставления обучающемуся учебного контента с использованием цифровых технологий. Необходимы средства создания доступных и оптимальных учебных материалов, в том числе средства эффективной передачи знаний обучающимся [3].
Цель данного исследования – оценить возможность использования доступных цифровых инструментов и ресурсов интернета в процессе преподавания лекционного курса по дисциплине «Химия» (раздел «Общая химия»). Для выполнения поставленной цели были определены следующие задачи: 1) проанализировать имеющуюся информацию о существующих цифровых инструментах, которые могли бы быть использованы в преподавании химии; 2) оценить доступность и функционал цифровых инструментов, а также возможность их применения в ходе преподавания лекционного курса по общей химии.
Материалы и методы исследования
В ходе работы применялись следующие методы: 1) наукометрический анализ (анализ научно-методической литературы, в том числе размещенной в сети Интернет); 2) работа с приложениями.
В итоге, после изучения ряда работ отечественных и зарубежных исследователей [1, 4, 5 и др.], для дальнейшего внедрения в процесс преподавания лекционного курса по некоторым темам общей химии были отобраны два приложения: интерактивная (динамическая) таблица Менделеева Ptable и молекулярный конструктор Avogadro.
Динамическая таблица Менделеева Ptable [6] – удобное интернет-приложение, совмещает функции собственно Периодической системы элементов, т.е. содержит информацию обо всех известных на сегодняшний день элементах, и химической базы данных. Основной недостаток приложения – необходимость подключения к сети Интернет.
Многофункциональное графическое приложение для трехмерного молекулярного моделирования Avogadro [7] направлено на исследование структуры и свойств молекул вычислительными методами с последующей визуализацией результатов, обеспечивающих их трехмерное представление при заданных в расчетах условиях [8]. Молекулярный конструктор Avogadro может быть установлен на рабочий стол компьютера, т.е. не зависит от наличия доступа к интернету. Оригинальная версия приложения англоязычная, при необходимости его можно русифицировать, установив дополнительный плагин [9]. Avogadro позволяет моделировать строение различных веществ, в том числе биологических ВМС (нуклеиновых кислот, белков), оценивать пространственное строение и параметры молекул.
Результаты исследования и их обсуждение
Четыре вкладки интерактивной периодической таблицы Ptable – «Свойства», «Электроны», «Изотопы», «Вещества (Compounds)» – определяют возможность ее использования в ходе лекций на следующие темы: «Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева», «Теории строения атома», «Электронное строение атома». Базу данных приложения также можно применять в курсах неорганической и органической химии (вкладки «Свойства» и «Вещества» содержат отсылки к статьям Википедии, причем без прямого подключения к сайту, информационные окна раскрываются как самостоятельные панели поверх окна приложения).
Функционал Ptable позволяет показать закономерность изменений таких свойств элементов, как радиус атома, агрегатное состояние, принадлежность к химическим семействам, электроотрицательность, температуры агрегатных переходов, энергии сродства к электрону и ионизации; дает представление об известных в настоящее время изотопах элементов, включая характер их распада; дает представление о характере распределения электронов, в том числе по квантовым ячейкам (электронные и электронно-графические формулы), особенностях строения электронных орбиталей и их характеристике через квантовые числа; включает базу веществ (в том числе с использованием функции быстрого поиска на основании качественного состава).
Динамический характер приложения определяется возможностью изменять тот или иной параметр (основным физическим параметром является температура), тем самым меняя характер представленной информации. Так, при заданной нормальной температуре 273 К в таблице отмечено только два элемента, находящихся в жидком состоянии, – бром и ртуть, перейдя же к стандартной температуре 298 К, можно заметить, что и франций переходит в жидкое состояние (при этом название элемента подсвечивается синим), при дальнейшем повышении температуры увеличивается число элементов как в жидком, так и в газообразном состоянии, причем их легко выделить, наведя курсор на клетку Нg Жидкость или Н Газ в перечне агрегатных состояний (соответственно, ячейки всех элементов, находящихся в данном агрегатном состоянии, подсвечиваются определенным цветом).
Таблица содержит и историческую сводку открытий элементов, также снабженную динамической шкалой дат. Данная информация может быть использована в лекции, посвященной открытию Периодического закона, чтобы дать студентам представление об элементах, систематизированных Д.И. Менделеевым в 1869 г. и положенных в основу первой версии Периодической системы элементов (рис. 1). Перемещаясь по шкале дат, можно наглядно проиллюстрировать и сопоставить активность открытия химических элементов в разные исторические эпохи, начиная с периода древних цивилизаций и до наших дней.
Рис. 1. Представление дат открытия химических элементов (раскрашены ячейки элементов, открытых к 1869 г.)
Рис. 2. Представление изотопов водорода (в информационном блоке приводятся данные по дейтерию)
В теме «Теории строения атома», используя вкладку «Изотопы», можно дать наглядное представление об изотопном составе всех известных на сегодняшний день элементов (рис. 2) с указанием характера распада изотопа, показать зависимость относительной атомной массы от изобилия (процентной встречаемости) наиболее распространенных изотопов.
Рис. 3. Электронная характеристика элементов (на примере никеля)
При изложении темы «Электронное строение атома» можно использовать две основные вкладки. При включении режима «Свойства», выбирая то или иное свойство, можно проанализировать, как, в зависимости от положения элемента в таблице, меняются радиус, электроотрицательность, сродство к электрону, энергия ионизации и другие свойства атома, и закономерно объяснить периодичность изменения металлических и неметаллических свойств элементов. Для этого в приложении используется градиентная заливка ячеек элементов (от меньшего значения к большему насыщенность заливки увеличивается). Температуры агрегатных переходов (как самостоятельное свойство) дополнительно снабжены динамической температурной шкалой.
На вкладке «Электроны» представлена подробная информация о распределении электронов по квантовым ячейкам (электронно-графические формулы) и уровням (электронные формулы) (рис. 3). Цветовая маркировка в данном режиме распределяет элементы по электронным семействам. В информационном блоке представлены наиболее основные степени окисления данного элемента, предпочитаемые выделены жирным шрифтом и указываются, помимо данного блока, в ячейках соответствующих элементов. Особый интерес представляет визуализация электронных орбиталей с указанием квантовых чисел, характеризующих орбиталь, выделенную курсором в электронно-графической формуле элемента (на рис. 3 вверху справа от информационного блока показана одна из 3D-орбиталей). Переходя от одной ячейки данного подуровня к другой, можно наглядно представить многообразие форм электронных орбиталей и возможностей их ориентации в пространстве магнитного поля, то есть охарактеризовать побочное и магнитное квантовые числа.
Молекулярный конструктор Avogadro в первую очередь предназначен для моделирования молекул органических веществ. Преимуществом данной программы является наличие встроенной базы (путь в англоязычной версии программы “Build – Insert – Fragment”), содержащей готовые модели органических веществ, принадлежащих более чем к 20 классам. Удобство моделирования заключается в том, что можно вносить изменения в уже готовую модель, используя предлагаемый краткий перечень основных органогенных элементов и галогенов.
Рис. 4. Типы гибридизаций, представленные в молекулярном конструкторе Avogadro: а) sp2; б) sp3; в) sp3d2; г) sp3d; д) незавершенная sp3; е) sp2d; ж) sp2d2
Таким образом, к примеру, легко создавать из углеводородов галогенпроизводные, сохраняя при этом стандартные валентные углы в молекуле. Однако не совсем верно полагать, что Avogadro невозможно использовать в других разделах химии (данная точка зрения высказана в работе [10]). Так, в упомянутой выше базе данных имеется вкладка Coordination, где представлены основные типы гибридизации атомных орбиталей (рис. 4), определяющие следующие типы пространственной геометрии молекулы: правильный треугольник (рис. 4, а), тетраэдр (рис. 4, б), октаэдр (рис. 4, в), тригональную бипирамиду (рис. 4, г), тригональную пирамиду (рис. 4, д), квадрат (рис. 4, е), квадратную пирамиду (рис. 4, ж).
Исходя из представленных на рис. 4 примеров, становится очевидно, что приложение Avogadro обладает достаточным функционалом для построения графических структурных формул неорганических веществ (для этого в программе имеется встроенная Периодическая система элементов, где каждый элемент имеет собственную окраску, соответствующую таковой получаемой модели). Конструктор позволяет смоделировать и оценить посредством построенных моделей такие свойства химической связи, как валентный угол, длина связи (в ангстремах) (данные свойства в пределах всей молекулы можно также оценить через вкладку View – Properties). Для полярных молекул есть возможность указать смещение электронной плотности (дипольный момент), которое также рассчитывается программой и указывается в свойствах молекулы (по пути View – Properties – Molecule Properties) (рис. 5).
Надо отметить, что при сопоставлении количественных параметров молекул, представленных в справочной литературе и определяемых программой Avogadro, выявляется некоторая погрешность измерений. В первую очередь это касается значений валентных углов, отклонения для которых могут достигать нескольких градусов (для сравнения – в молекуле воды угол составляет около 104,5° [11, с. 35], в приложении Avogadro он определен в 107,7°), однако на визуальном представлении молекулы это сказывается незначительно. Таким образом, данный молекулярный конструктор можно рекомендовать к использованию при чтении лекций по теме «Химическая связь», давая общее представление о свойствах ковалентной связи. Кроме того, используя Avogadro, можно проиллюстрировать образование водородных связей между молекулами воды или аммиака.
Рис. 5. Геометрия молекулы HClO и H2O (внизу показаны длины связей O–Cl и О–Н и валентный угол между ними, красная стрелка – направление дипольного момента)
Заключение
Представленные в работе цифровые инструменты – динамическая таблица Ptable и молекулярный конструктор Avogadro – были успешно опробованы при чтении лекционного курса по дисциплине «Химия» в нашем институте. Благодаря их применению были актуализированы темы «Периодический закон и система элементов Менделеева», «Теории строения атома», «Электронное строение атома», «Химическая связь». Работа в данных приложениях позволяет визуализировать представление о строении атомов и молекул, дать наглядное описание их свойств, раскрыть само понятие периодичности. Конструктор Avogadro также может быть использован во время экзамена по данному курсу (как среда для ответа на один из типовых практических вопросов – построение структурной формулы вещества).