Создание и применение цифровых химических моделей в образовательном процессе

Автор: Грау Инесса Андреевна

Организация: независимый педагог-исследователь

Населенный пункт: г. Санкт-Петербург

Цифровая химическая модель (ЦХМ) – это программное представление химического объекта, процесса или явления, основанное на теоретических, эмпирических или вычислительных данных и предназначенное для визуализации, симуляции, анализа или прогнозирования его свойств и поведения в учебных или исследовательских целях.

Такая модель функционирует в цифровой образовательной среде и может варьироваться по дидактически оправданной степени абстракции — от наглядно-иллюстративных (например, 3D-модели молекул) до формализованных (например, квантово-химические расчёты или динамические симуляции реакционных механизмов), обеспечивая учащемуся возможность активного взаимодействия, экспериментирования и конструирования знаний.

Использование ЦХМ на уроке позволяет преодолеть ключевые трудности химического образования: абстрактность восприятия микромира, невидимость процессов на молекулярном уровне, сложность динамических превращений, изучение опасных реакций, многократность исполнения и пр. Учителя применяют цифровые модели на разных этапах урока: при актуализации знаний (визуализация молекулярных структур), объяснении нового материала (анимация химических превращений), закреплении (виртуальные лаборатории, симуляторы титрования или электролиза) и контроле (интерактивные задания с обратной связью). Особенно эффективны модели при формировании представлений о динамических процессах — скорости реакции, химическом равновесии, кислотно-основных взаимодействиях, — где абстрактность понятий затрудняет понимание.

Важно, что учитель сегодня не только потребитель, но и автор цифровых моделей. Благодаря доступным конструкторам (например, PhET, Chemix, MolView, LearningApps, а также возможностям нейросетевых генераторов) педагог может адаптировать существующие ресурсы или создавать собственные под конкретные дидактические цели.

При создании цифровых моделей учитель руководствуется принципами дидактической целесообразности, когнитивной нагрузки и научной корректности: модель должна быть достаточно простой для восприятия, но не искажать суть явления. Важно также соблюдать баланс: цифровая модель не должна замещать реальный химический эксперимент, а дополнять его, обеспечивая доступ к тем уровням реальности, которые недоступны в школьной лаборатории.

Таким образом, цифровая химическая модель становится не просто иллюстрацией, а самостоятельным педагогическим средством, способным трансформировать учебную деятельность от пассивного восприятия к активному исследованию. Участие учителя в её проектировании усиливает рефлексивный компонент его профессиональной деятельности и способствует развитию образовательной автономии.

Пример создания и использования модели соединения C₂₆H₄₄O₃

Тема: Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова

Педагогическая цель: закрепить и углубить знания и умения учащихся по теме урока с применением разработанной цифровой химической модели.

Цель учащегося: на основе изучения пространственной структуры некоторого органического вещества выполнить задание, данное учителем (преобразовать 3D-структуру в стандартную 2D-запись, рассчитать число первичных, вторичных, третичных атомов углерода, определить молекулярную формулу, молекулярный вес, вычислить массовые доли химических элементов и др.).

Задачи:

- закрепить знания о положениях Теории строения органических соединений;

- научиться анализировать пространственное расположение атомов (строение) органических веществ;

- отработать перевод структурной формулы вещества из одного вида в другой (3D и 2D: полная структурная и сокращ. структурная формулы);

- актуализировать вычислительные ЗУН, необходимые для проведения требуемых расчетов;

- способствовать формированию умения самостоятельной работы и самоконтроля;

- способствовать развитию познавательного интереса, интеллектуальных и креативных способностей.

Возрастная категория учащихся: 10-11 класс (16-18 лет).

Описание моделируемого объекта: модель представляет собой статическую пространственную 3D-структуру некоторого органического вещества – 5-гидрокси-7-изопропил-2-(1,1,2-триметилпропил)-6-(пропен-1-ил)-4-(этилпропаргил)циклооктанкарбоновая кислота.

Функциональные возможности модели: созданная модель наглядно демонстрирует учащимся пространственную организацию атомов в органическом веществе, данную модель можно использовать при изучении различных тем и на различных этапах урока (а также в качестве домашнего задания) в зависимости от поставленных целей и задач: при изучении тем «Теория строения А.М. Бутлерова» (как и предлагается в настоящем описании), «Номенклатура IUPAC» (дать название соединению по систематической номенклатуре), «Изомерия» (рассмотреть возможные структурные и пространственные изомеры данной модели), «Гибридизация атома углерода» (проанализировать, рассчитать количество sp³-, sp²-, sp-гибридизованных атомов углерода, число σ- и π-связей); «Химические свойства органических веществ» (по наличию содержащихся функциональных групп, кратных связей охарактеризовать химические свойства соединения) и др.

Краткое описание технологии создания: модель органического соединения была самостоятельно создана при помощи программного обеспечения – редактора химической графики ChemDraw Professional.