CC BY
21ПРЕПОДАВАНИЕ ХИМИИ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРОВ
Камбарова Э.А.
Старший преподаватель кафедры «Химия и биология», магистр химии, Таразский региональный университет имени М.Х. Дулати, г. Тараз.
Жумалиева Т.П.
Учитель химии и биологии, гимназия имени Гани Муратбаева, Село Сарыкемер, Байзакский район, Жамбылская область.
Арнамухаммедова М. Студент 4 курса
Таразского Регионального Университета имени М.Х. Дулати
Нургелдиева О.
Студент 4 курса
Таразского Регионального Университета имени М.Х. Дулати
Курамбаева Т.
Студент 4 курса
Таразского Регионального Университета имени М.Х. Дулати TEACHING CHEMISTRY WITH THE HELP OF COMPUTERS
Kambarova E.
Senior Lecturer of the Department of Chemistry and Biology, Master of Chemistry, Taraz Regional University named after M.Kh. Dulati, Taraz.
Zhumalieva T.
Chemistry and biology teacher, gymnasium named after Gani Muratbaev, Sarykemer village, Bayzak district, Zhambyl region.
Arnamukhammedova M. 4th year student of the Taraz Regional University named after M.Kh. Dulaty
Nurgeldieva O.
4th year student of the Taraz Regional University named after M.Kh. Dulaty
Kurambaeva T.
4th year student of the Taraz Regional University named after M.Kh. Dulaty
DOI: 10.5281/zenodo.6696276
Аннотация
В данной статье рассматриваются методы и технологии преподавания химии с помощью компьютеров. Рассмотрены использование вычислительной технологии для объяснения различных химических ситуаций. Описаны различные подходы, которые в использовании текущего графического пользовательского интерфейса могут облегчить преподавание химии, вызвать интерес у учеников тем самым повысить качество усвояемости знаний. Abstract
This article discusses the methods and technologies of teaching chemistry using computers. The use of computational technology to explain various chemical situations is considered. Various approaches are described that, using the current graphical user interface, can facilitate the teaching of chemistry, arouse interest among students, thereby improving the quality of knowledge assimilation.
Ключевые слова: компьютерное оборудование, образование, технологии, интернет, таксономия Блума, обратная связь.
Keywords: computer equipment, education, technology, internet, Bloom's taxonomy, feedback.
С появлением нового поколения обучающихся, которые разбираются в технологиях и компьютерах, в сочетании с достижениями в области разработки компьютерного оборудования и программного обеспечения кривая обучения вычислительной химии сокращается. Мы демонстрируем различные модули, которые можно использовать не только для иллюстрации сложных концепций в обучении химии, но и для получения практического опыта, позволяющего учащимся генерировать свои собственные данные и выводы.
Новое поколение обучающихся совсем не похоже на тот тип учеников, которых мы привыкли
обучать [1]. Это новое поколение хочет учиться по-другому и быстро, и, как правило, у него меньше терпения читать книги, хотя мы считаем, что это единственный способ усвоить новую информацию. Что еще хуже, некоторые из этих детей никогда не открывают свои учебники перед экзаменами, иногда даже до конца учебного года. Они будут искать ответы и концепции в Google, независимо от точности и правильности ответа. Что сводит некоторых из нас с ума, так это то, что некоторые из этих обучающихся просто копируют и вставляют онлайн-ответы и заявляют о своих заслугах, что мы назы-
ваем плагиатом. Химия ничем не отличается от любых других предметов науки, которые столкнулись с той же проблемой.
Согласно опросу, проведенному в 1995 году [2], многие обучающиеся описывают химию как один из самых сложных и скучных научных курсов, которые они должны пройти, несмотря на то, что химия, наука, занимающая центральное место в технологиях и инженерных областях во многих отношениях, является простым предметом для применения в реальной жизни [3]. Примеры и области применения химии многочисленны и неизбежны в повседневной жизни. Например, понимание фундаментальных концепций химии требуется для решения надвигающегося энергетического кризиса, для разработки экологически чистых методов производства и утилизации отходов, для обнаружения биологического оружия в режиме реального времени, для разработки более совершенных фармацевтических препаратов, для решения экологических проблем и для разработки новых функциональных наноматериалов. Поэтому химия наряду с другими естественнонаучными курсами, такими как физика и математика, обычно входит в основные университетские курсы, которые должны пройти и сдать почти все поступающие первокурсники. В зависимости от основных и классификаций, в большинстве кампусов есть курс химии для студентов, специализирующихся на предметах, не связанных с наукой, таких как сестринское дело, технология или инженерия [4], и есть отдельные курсы, созданные только для химии, биологии и других научных специальностей. Поскольку потребности и цели этих курсов различны в разных кампусах, универсальной учебной программы для этих курсов не существует. Однако все эти курсы химии требуют значительного объема фундаментальных знаний об электронных структурах, электронных конфигурациях. После того, как они изучат эти основные основы, мы затем требуем, чтобы студент применил и соотнес между структурой и свойствами и, наконец, предсказал свойства новых материалов. Рынок труда требует, чтобы наши студенты, по крайней мере, имели какой-то опыт работы. Например, новые учебные рекомендации для бакалавриата от Комитета по профессиональной подготовке Американского химического общества предполагают, что учебная программа базового уровня по химии должна быть реорганизована в три последовательности: структура, реакционная способность и количественное определение. Считается, что новая реорганизация позволит студентам быстрее оценить широту области, чем в традиционных областях.
С тех пор, как в конце 1950-х годов Национальный научный фонд реформировал учебную программу по химии с помощью подхода к химическим связям и изучения материалов химического образования, и студенты изучали химию с помощью практических лабораторных процедур, которые требовали решения проблем, и более сильной технической подготовки в области химических принципов по всему миру. правление [5]. Вместе с
дилеммами и новыми вызовами, поставленными перед нами этим новым поколением учащихся, они также открыли новые возможности. Например, большинство из них сейчас имеют в своем распоряжении тонны электронных гаджетов, и большую часть времени они находятся в Сети в социальных или развлекательных целях. Есть некоторые исследователи и преподаватели, которые используют электронное обучение, такое как дистанционное обучение, подкасты, потоковое мини-видео, наряду с кликерами, традиционными точками питания и прозрачными пленками. В частности, инструменты молекулярного моделирования, которые используются для (1) помощи студентам в понимании сложных концепций, таких как электронная конфигурация и структурная модификация, в общей химии и (2) в качестве исследовательского инструмента для углубленных курсов химии или научных исследований.
Есть два разных типа студентов, которые изучают химию: естественнонаучные специальности и ненаучные специальности. В целом, специалисты по естественным наукам обычно находят это более легким и адаптируются к традиционному концептуальному подходу к изучению химии, который часто является преподается в форме строгих фактов и принципов и очень абстрактно. С другой стороны, специалисты, не занимающиеся наукой, все еще нуждаются в развитии некоторых видов научной (или химической) грамотности, которая затем позволила бы им понять принципы и участвовать в интерактивном режиме, чтобы понять материалы и, возможно, применить эти принципы, чтобы лучше понять явление вокруг них от воздействия окружающей среды к нанотехнологиям [6]. Неудивительно, что специалисты, не занимающиеся наукой, находят этот традиционный подход к химическому образованию сложным и скучным и изо всех сил пытаются понять актуальность концептуальной химии. Большинство из этих студентов потеряют интерес к естественным наукам, особенно к химии, в течение первого года [7] из-за встроенного требования в основную учебную программу.
В исследовании [8] рассмотрены использование вычислительной технологии для объяснения различных химических ситуаций. В качестве примеров исследователями сначала использованы и описаны кинетические реакции замещения ( это было сделано для того чтобы объяснить студентам важность и эффективность солнцезащитного крема). Описаны, как вычислительная химия может быть использована не только в перечисленных выше методах, но и в других аспектах химии.
Используя эту тактику, учащиеся могут быстро собирать данные и делать свои собственные выводы по мере изучения учебника. Используемый здесь подход заключается в использовании текущего графического пользовательского интерфейса (GUI), такого как WebMO, Spartan или Gauss View, чтобы облегчить крутой процесс обучения базовым наборам, функционалам, методам и программному обеспечению. Таким образом, учащиеся могут сосредоточиться на изучении химии и концепций, а
не на инструкциях и настройке. Для экономии времени были использованы полуэмпирические методы, такие как PM3 и ZINDO [7]. Программное обеспечение, используемое в этом исследовании, -GaussView и Gaussian 09 [8]. Геометрия соединений в разработанных модулях была оптимизирована в соответствии с функционалом B3LYP [9] с использованием базового набора Pople 6-31G* [10].
Одна из важных и жизненно важных задач преподавателя химии заключается в том, как отойти от представления о том, что химия - это сложно и скучно. Это восприятие сформировалось на ранней стадии развития химии и физики примерно в 1920-х годах, когда более фундаментальные открытия помогли сформировать теоретические принципы. Эти открытия позволили химии стать более строгой и аналитической, что также сделало эту область глубоко погруженной в традиции [11]. Таким образом, материал, который необходимо было охватить в общей химии, с годами расширился. Что еще хуже, новые материалы были просто дополнены и добавлены без оценки их связи со старыми принципами. В обзоре Ллойда в 1992 году отмечалось, что типичный учебник общей химии превратился из маленькой книги размером 5 х 8 дюймов в энциклопедию размером более 1000 страниц размером 8 х 10 дюймов, которая весила в среднем 6 фунтов [12].
Очевидно, что существует необходимость в модернизации преподавания химии нашему новому поколению студентов. Существует множество опубликованных работ и исследований, которые были направлены на содействие обучению студентов, таких как программное обеспечение MIT Open Course Ware [13], Процессно-ориентированное обучение с помощью запросов (POGIL) [14], Командное обучение под руководством коллег (PLTL) [15] и контекстно-ориентированные подходы (CLA) [16]. Как следует из их названий, все эти подходы активно вовлекают студентов либо в проблемное, либо в основанное на реальных жизненных сценариях самообучение и самообучение. Результаты были бы в некоторой степени успешными, если бы подход был хорошо спланирован и реализован [17]. В то время как наш подход в этом исследовании также основывался на вовлечении студентов, мы использовали вычислительную химию и молекулярное моделирование в качестве инструмента для облегчения обучения студентов.
Развитие компьютерных технологий и программного обеспечения позволило использовать инструменты моделирования наравне с экспериментальными методами в качестве законного и практического средства изучения химии. Молекулярное моделирование может предложить большие преимущества в качестве инструмента для исследований, таких как изучение соединения, которое
трудно синтезировать в лабораторных условиях. Стоимость создания этого соединения на экране -это, по сути, просто цена самого программного обеспечения и фантазии создателя. Однако нужно быть очень осторожным с такими действиями, поскольку традиционная мудрость гласит: "Мусор внутрь, мусор наружу". Поэтому руководство более опытного пользователя и инструктора имеет важное значение для обучения "правильной" химии. Таким образом, студенты не будут обучаться неправильно. По сравнению со стоимостью синтеза, очистки и определения характеристик инструменты моделирования предоставляют важную информацию о геометрии, трехмерной визуализации, объемах, зонах контакта, симметрии, механизмах реакции и энергетических профилях, таких как энергии активации для кинетики и термодинамических параметров, таких как энтальпия, энтропия и свободные энергии Гиббса.
Как и любая дисциплина, хорошее преподавание естественных наук должно начинаться с хорошо сформулированных целей обучения и результатов обучения в качестве одного из важнейших инструментов для успешного прохождения курса и руководства для обучения студентов. Литература показывает, что цели обучения и результаты обучения соответствуют более чем двум десяткам таксо-номий, которые были разработаны для определения областей обучения, развития и познания. Однако большинство из них были основаны на классической таксономии Блума, разработанной в 1956 году, как показано на рис. 1. В то время как классическая таксономия образовательных целей Блума определялась шестью иерархическими уровнями когнитивной обработки (знание, понимание, применение, анализ, синтез и создание), более современная версия Таксономии Блума использует неиерархическое определение обучения (знание, понимание, применение, анализ, синтез. Хотя слова в этих версиях схожи, подход к обучению студентов совершенно разный. Классический иерархический подход предполагает постепенный прогресс учащихся снизу вверх, в то время как неиерархический подход предполагает обучение учащихся на всех уровнях и во всех аспектах. Эти различные навыки обучения развивались одновременно, поэтому обучение этим навыкам должно применяться соответствующим образом. Существуют даже другие типы таксономии, такие как фундаментальные знания, применение, интеграция, человеческое измерение, забота и обучение тому, как учиться . Инструменты вычислительной химии и моделирования на самом деле позволяют учащимся применять, анализировать и синтезировать химические концепции, заложенные в вопросе, посредством генерации, сбора и анализа данных.
Рисунок 1. Таксономия Блума (2001г.)
Здесь продемонстрированы некоторые из модулей моделирования, принятых и разработанных, чтобы проиллюстрировать, как вычислительная химия может эффективно объяснять и визуализировать сложные и абстрактные химические концепции [17].
Инструменты вычислительной химии и молекулярного моделирования становятся доступными и доступными для учеников. Вычислительная способность также становится все более и более мощной благодаря достижениям в области проектирования аппаратного обеспечения и разработки программного обеспечения. В этом исследовании мы продемонстрировали различные подходы, которые могут быть использованы для иллюстрации сложных концепций, встречающихся в рамках обучения химии, предоставляя учащимся необходимый практический опыт, который необходим для того, чтобы они могли сформировать свое собственное мнение и выводы.
Список литературы
1. Sofia Simoes, Tiago Oliveira, Catarina Nunes. Influence of computers in students' academic achievement. Heliyon. 8 (2022).
2. Х. Г. Мюррей. Эффективное педагогическое поведение в классе колледжа. Высшее образование: Справочник по теории и исследованиям, 7 ( 1991 ), стр . 135-172.
3. Ю. Штайнерт, С. Снелл. Интерактивное чтение лекций: стратегии расширения участия в презентациях в больших группах. Учитель медицины, 21 ( 1 ) ( 1999 ), стр . 37-42.
4. Д. Кадье Болден, Дж. В. Хёрт, М. К. Ричардсон.Внедрение цифровых инструментов для поддержки способностей учащихся задавать вопросы: отчет о совместном исследовании. Исследование в образовании, 9 ( 1 ) ( 2017 ), с. 2
5. Дж. Э. Колдуэлл. Кликеры в большом классе: текущие исследования и практические советы. CBE -Life Sciences Education, 6 ( 1 ) ( 2007 ), стр. 9-20 .
6. T. Levine, S. Donitsa-Schmidt. Computer use, confidence, attitudes, and knowledge: a causal
analysis. Comput. Hum. Behav., 14 (1) (1998), pp. 125-146.
7. C. Lee, A.S. Yeung, K.W. Cheung. Learner perceptions versus technology usage: a study of adolescent English learners in Hong Kong secondary schools. Comput. Educ., 133 (August 2017) (2019), pp. 13-26.
8. R.A. Punter, M.R.M. Meelis-
sen, C.A.W. Glas. Gender differences in computer and information literacy: an exploration of the performances of girls and boys in ICILS 2013. Eur. Educ. Res. J., 16 (6) (2017), pp. 762-780.
9. A.J. Bowers, M. Berland. Does recreational computer use affect high school achievement. Educ. Technol. Res. Dev., 61 (1) (2013), pp. 51-69.
10. D. Bae, K.A.S. Wickrama. Family socioeconomic status and academic achievement among Korean adolescents: linking mechanisms of family processes and adolescents' time use. J. Early Adolesc., 35 (7) (2015), pp. 1014-1038
11. S. Hamiyet. The effects of computer games on the achievement of basic mathematical skills. Educ. Res. Rev., 10 (22) (2015), pp. 2846-2853
12. Ф. Сяо, Л. Сунь. Профили использования ИКТ студентами и их связь с фоном, мотивацион-ными факторами и академическими достижениями. J. Res. Technol. Educ. (2021))
13. Глазков В.В. Компьютерное моделирование в обучении / В.В. Глазков С.В. Грызлов // Материалы научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании». - Саранск: МРИО, 2004. - С. 59-63.
14. Королев, Л.Н. Информатика. Введение в компьютерные науки - учебное пособие / Л.Н. Королев, А.И. Миков. - М.: Высш. Шк., 2002. - 300 с.
15. Курдюмова, Т.Н. Компьютерные технологии в обучении химии / Т.Н. Курдюмова // Химия в школе. - 2000. - №8. - С. 35-37.
16. Щелканова, Г.В. Использование информационных технологий на уроках химии / Г.В. Щел-канова // Химия: методика преподавания в школе. -2004. - №8 - С. 68-71.
17. Мастер- класс учителя химии: уроки с использованием ИКТ, лекции, семинары 8-11 классы/ Текст /: методическое пособие. - М.: Изд-во «Глобус», 2010.-272с.
