Eργαλείο παρουσίασης ατοµικών τροχιακών και υβριδισµού χηµικών δεσµών µε τη βοήθεια των πολυµέσων

Transcript

1

2 Eργαλείο παρουσίασης ατοµικών τροχιακών και υβριδισµού χηµικών δεσµών µε τη βοήθεια των πολυµέσων Γ. Κορακάκης* 1, E.A Παυλάτου 2, Ν. Σπυρέλλης 3, Ι.Α.Παλυβός 4 Σχολή Χηµικών Μηχανικών ΕΜΠ Λέξεις κλειδιά: ατοµικά και υβριδικά τροχιακά, animation, τρισδιάστατα µοντέλα, πολυµέσα Περίληψη Η ένταξη διδακτικών ενοτήτων στο αναλυτικό πρόγραµµα του µαθήµατος της Χηµείας Θετικής Κατεύθυνσης Γ Λυκείου, οι οποίες αναφέρονται σε στοιχεία ατοµικών και υβριδικών τροχιακών έκανε φανερή την ανάγκη της χρήσης πολυµέσων για την πληρέστερη παρουσίασή τους και την αποτελεσµατικότερη κατανόησή τους. Στην εργασία αυτή η παρουσίασή των συγκεκριµένων ενοτήτων γίνεται µε κατάλληλα τρισδιάστατα µοντέλα, τα οποία κατασκευάστηκαν εξ αρχής µε τη βοήθεια γνωστών προγραµµάτων-εργαλείων. Τα τρισδιάστατα µοντέλα καθιστούν πιο εύκολη τη διδασκαλία των ατοµικών τροχιακών, του υβριδισµού και των συναφών θεµάτων που περιλαµβάνονται στην πλατφόρµα παρουσίασης, καθώς απαιτείται η εµφάνιση των τροχιακών στις τρεις διαστάσεις για την αποδοτικότερη κατανόηση µιας «πολύπλοκης» και δυσνόητης ενότητας. Εκτός από την παρουσίαση, η εφαρµογή επιτρέπει την παρέµβαση του χρήστη, καθώς υπάρχει η δυνατότητα περιστροφής, µεγέθυνσης ή σµίκρυνσης των τρισδιάστατων µοντέλων. Το µενού της παρουσίασης περιλαµβάνει τις εξής επιλογές: αρχείο (βοηθητικό εργαλείο), τροχιακά, θεωρία δεσµού-σθένους. υβριδισµός, ασκήσεις, βοήθεια, εκτύπωση. Οι ασκήσεις περιλαµβάνουν ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής τύπου «σωστού-λάθους» καθώς και ασκήσεις συναρµολόγησης και δηµιουργίας δυσδιάστατων και τρισδιάστατων µορίων και µοντέλων. Επιπλέον, παρέχεται και δυνατότητα εκτύπωσης επιλεγµένων σκηνών καθώς και δηµιουργίας διαφανειών Abstract The recent introduction of elements of atomic orbitals and hybridization in the curriculum of chemistry taught in the third grade of science-oriented High Schools brought forward the need for the use of multimedia for an effective presentation. In this work, the presentation is realised with the aid of three-dimensional models that were constructed from scratch, using well-known software tools. The 3D models facilitate the instruction of atomic orbitals, hybridization, and the related topics which are included in the presentation platform, as the relevant 3D forms is expected to improve the comprehension of this highly abstract and complex content. The presentation allows user intervention in the form of rotation, zoom-in, and zoom-out of the 3D models. The presentation platform menu includes the following items: files, orbitals, valence bond theory, hybridism, exercises, help, print. The exercises are constructed in such a way that the student has to make use of the computer in order to answer multiple choice questions or to put together pieces of puzzles showing the models presented. All the basic pictures can be printed out in a form suitable for transparencies. 1 Υποψ. ιδάκτωρ, gk1966@tellas.gr 2 Λέκτωρ, Εργαστήριο Γενικής Χηµείας, pavlatou@chemeng.ntua.gr 3 Καθηγητής, Εργαστήριο Γενικής Χηµείας, nspyr@cemeng.ntua.gr 4 Επίκ. Καθηγητής, Υπολογιστικό Κέντρο Χηµ. Μηχανικών, jpalyvos@chemeng.ntua.gr

3 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Η σηµασία της χρήσης του Η/Υ Ο Η/Υ είναι ένα από τα πιο αντιπροσωπευτικά δείγµατα της υψηλής τεχνολογίας και συνεπώς έχει τη δική του αξία και σπουδαιότητα στην αποτελεσµατικότητα της διδασκαλίας. Τα παιδιά γεννιούνται σε έναν κόσµο όπου κυριαρχούν οι υπολογιστές. Εποµένως, το σχολείο θα πρέπει να καταστεί ικανό να ικανοποιήσει τις νέες µαθησιακές ανάγκες, που δηµιουργούνται καθηµερινά στον τοµέα της πληροφορικής. Ο Papert στο βιβλίο του «Mindstorm» αναφέρει: «Σε πολλά σχολεία σήµερα η φράση διδασκαλία µε υπολογιστές σηµαίνει το να κάνουµε τον υπολογιστή να διδάξει το παιδί. Στην πραγµατικότητα το παιδί καθοδηγεί τον υπολογιστή και έτσι αποκτά την αίσθηση της κυριαρχίας πάνω σε αυτό το τεχνολογικό επίτευγµα». Η ανάπτυξη προγραµµάτων για τη δηµιουργία εκπαιδευτικού λογισµικού µε τη βοήθεια των πολυµέσων, παρέχει τη δυνατότητα παρουσίασης του µαθήµατος πιο παραστατικά και πιο κατανοητά σε σύγκριση µε το παρελθόν, έχει δώσει τη δυνατότητα να παρέχεται πιο παραστατικά και πιο κατανοητά το µάθηµα σε σύγκριση µε το παρελθόν, όπου ο µαθητής είχε σαν µοναδικό εργαλείο µάθησης το βιβλίο και την παροχή πληροφοριών από το δάσκαλό του. Σήµερα, σχεδόν για κάθε µάθηµα όλων των τάξεων υπάρχει και το αντίστοιχο εκπαιδευτικό λογισµικό, που βοηθάει στην εµπέδωση και κατανόηση του µαθήµατος. Σύµφωνα µε τον Dodtidge: «ένα από τα κύρια πλεονεκτήµατα του υπολογιστή βρίσκεται στην ικανότητά του να παρέχει συνολική αντίληψη για το θέµα και εφόσον έχει προγραµµατιστεί σωστά, θα µπορούσαµε να είµαστε βέβαιοι ότι δεν υπάρχουν χάσµατα στη µαθησιακή εµπειρία του παιδιού». Τα εκπαιδευτικά λογισµικά περιέχουν εικόνες, τρισδιάστατα γραφικά, animations, βίντεο και ήχους και µε αυτό τον τρόπο προσελκύουν το ενδιαφέρον και την προσοχή του µαθητή. Έρευνες έχουν αποδείξει, ότι ο άνθρωπος συγκρατεί µόνο το 10% των όσων διαβάζει, το 20% των όσων ακούει και το 30% των όσων βλέπει. Ωστόσο, συγκρατεί το 50% των όσων ακούει και βλέπει ταυτόχρονα και το 70% των όσων ακούει, βλέπει, και συγχρόνως προβληµατίζεται πάνω σε αυτά µε συζήτηση. [1] 5. Σκοπός της εργασίας Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι, να συνδυαστεί η συµβατική (παραδοσιακή) διδασκαλία των ενοτήτων «ατοµικά τροχιακά», «θεωρία δεσµού σθένους» και «υβριδισµός» 5 Οι αριθµοί στις αγκύλες αναφέρονται στη βιβλιογραφία που βρίσκεται στο τέλος της εργασίας

4 µε κατάλληλη ηλεκτρονική παρουσίασή τους µέσω µιας διαδραστικής πολυµεσικής εφαρµογής, συµβατής µε το επίσηµο πρόγραµµα του σχολείου. Επιµέρους στόχοι Να µπορεί ο µαθητής: Να γνωρίσει την ιστορική εξέλιξη της ανάπτυξης των τροχιακών. Να δει τις γραφικές παραστάσεις, από τις οποίες προκύπτουν τα σχήµατα των ατοµικών τροχιακών. Να διατυπώσει τον ορισµό του ηλεκτρονικού νέφους. Να συγκρίνει το µέγεθος των τροχιακών. Να συνδυάσει το µέγεθος και το σχήµα τους µε τους κβαντικούς αριθµούς n και l. Να συσχετίσει το µέγεθος των τροχιακών µε την ενέργειά τους. Να συσχετίσει τις τιµές του κβαντικού αριθµού m l µε τον προσανατολισµό των τροχιακών. Να κατανείµει τα ηλεκτρόνια στις υποστιβάδες, µε βάση τις τρεις αρχές δόµησης των ηλεκτρονίων. Να επεµβαίνει στα τρισδιάστατα σχήµατα των ατοµικών τροχιακών, κάνοντας µεγέθυνση, σµίκρυνση και περιστροφή. Να παρατηρήσει πώς η επικάλυψη των ατοµικών τροχιακών οδηγεί στη δηµιουργία οµοιοπολικών δεσµών. Να κατανοήσει τις βασικές αρχές της θεωρίας δεσµού σθένους. Να παρακολουθήσει το σχηµατισµό των υβριδικών τροχιακών. Να παρακολουθήσει τη δηµιουργία οµοιοπολικών δεσµών µε τη βοήθεια των υβριδικών τροχιακών. Να αναπαραστήσει διάφορες ενώσεις µε τη βοήθεια υβριδικών τροχιακών. Να εκτυπώσει τα βασικά σχήµατα που υπάρχουν µέσα στην πολυµεσική εφαρµογή. Να βρίσκει περισσότερες πληροφορίες για τα θέµατα που παρουσιάζονται στο λογισµικό, µέσα από προτεινόµενες διευθύνσεις του διαδικτύου. Να εξοικειωθεί µε τη γενικότερη χρήση του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Πηγές των κείµενων Η συγγραφή των κειµένων του λογισµικού, στηρίχτηκε στο βιβλίο Χηµείας Γ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης Ενιαίου Λυκείου [2], η ύλη του οποίου βασίζεται στο ισχύον

5 αναλυτικό πρόγραµµα. Τα κείµενα εµπλουτίστηκαν µε στοιχεία από την ελληνική και ξένη βιβλιογραφία [3-8]. Πλοήγηση Η πλοήγηση γίνεται µε µενού που βρίσκεται στο πάνω µέρος των σκηνών του λογισµικού και περιλαµβάνει: Αρχείο, Τροχιακά, Θεωρία δεσµού σθένους, Εκτύπωση, Βοήθεια. Στο σχήµα 1, παρουσιάζεται το οργανόγραµµα του λογισµικού, που δείχνει τις υπο-ενότητες του µενού. Σχήµα 1: Οργανόγραµµα του λογισµικού Στο κάτω µέρος της σκηνής, υπάρχουν κουµπιά που βοηθούν τη µετάβαση στην προηγούµενη και την επόµενη σκηνή, έτσι ώστε η παρουσία και των τριών θεµάτων του λογισµικού (ατοµικά τροχιακά, θεωρία δεσµού σθένους, υβριδισµός) να γίνεται γραµµικά και

6 διαδοχικά (Σχήµα 2). Επίσης, όπου απαιτείται, εµφανίζονται βοηθητικά κουµπιά για την καλύτερη χρήση των τρισδιάστατων σχηµάτων (Σχήµα 3). Σχήµα 2: Κουµπιά µετάβασης Σχήµα 3: Κουµπιά χρήσης τρισδιάστατων σχηµάτων Τεχνικά χαρακτηριστικά Για τη δηµιουργία αυτής της εφαρµογής χρησιµοποιήθηκαν τα εξής προγράµµατα: α) Πρόγραµµα 3D animation για τη δηµιουργία των περισσότερων σχηµάτων και animations του λογισµικού. β) Πρόγραµµα επεξεργασίας εικόνας. γ) Πρόγραµµα δηµιουργίας gif animation. γ) Πρόγραµµα επεξεργασίας µακέτας για τη δηµιουργία των απαραίτητων γραµµικών του λογισµικού.

7 δ) Πρόγραµµα επεξεργασίας κειµένου. ε) Πρόγραµµα επεξεργασίας ήχου. στ) Συγγραφικό εργαλείο µέσω του οποίου δηµιουργήθηκε η πολυµεσική εφαρµογή. ζ) Πρόγραµµα εγκατάστασης για εύκολη εγκατάσταση του λογισµικού στον υπολογιστή του χρήστη. Χρήση των τρισδιάστατων µοντέλων Τα περισσότερα τρισδιάστατα σχήµατα και animations έχουν τη δυνατότητα ελεύθερης περιστροφής, µεγέθυνσης, σµίκρυνσης και επαναφοράς από το χρήστη (µαθητή ή εκπαιδευτικό), για να µπορεί να τα εξετάζει και να τα παρατηρεί από διαφορετικές οπτικές γωνίες και στο µέγεθος που ο ίδιος επιθυµεί (Σχήµα 4). Στη διάρκεια όλων αυτών των παρεµβάσεων τα σχήµατα δεν υφίστανται αλλοίωση. Σχήµα 4: υνατότητα ελεύθερης περιστροφής, µεγέθυνσης, σµίκρυνσης και επαναφοράς

8 Ασκήσεις ίνεται άσκηση στον τρισδιάστατο χώρο, στην οποία ο χρήστης πρέπει να τοποθετήσει στη σωστή θέση κάποια επιµέρους σχήµατα για να δηµιουργήσει ένα υβριδικό τροχιακό (άσκηση συναρµολόγησης). Στη συνέχεια, µπορεί να το περιστρέψει για να διαπιστώσει αν έγινε σωστά η τοποθέτηση των επιµέρους σχηµάτων στον τρισδιάστατο χώρο (Σχήµα 5). Σχήµα 5: Συναρµολόγηση υβριδικού τροχιακού Επίσης, υπάρχει άσκηση στο δισδιάστατο χώρο που περιλαµβάνει µετακίνηση, περιστροφή, µεγέθυνση και σµίκρυνση των επιµέρους σχηµάτων, µε τη βοήθεια των οποίων ο χρήστης να δηµιουργήσει το ζητούµενο σχήµα που περιγράφει το σχηµατισµό µιας ένωσης σύµφωνα µε τη θεωρία δεσµού σθένους (Σχήµα 6). Σχήµα 6: Συναρµολόγηση ατοµικών και υβριδικών τροχιακών για το σχηµατισµό των δεσµών που αναπτύσσονται στο µόριο του αιθενίου σύµφωνα µε τη θεωρία δεσµού σθένους

9 Χρήσιµες συνδέσεις Είναι εφικτές διάφορες συνδέσεις µε δικτυακούς τόπους, οι οποίοι είναι σχετικοί µε τις θεµατικές ενότητες του λογισµικού και περιέχουν άφθονο οπτικό υλικό για την περαιτέρω εµπέδωση της διδακτέας ύλης. Εγκατάσταση. Η εκτέλεσης της εφαρµογής γίνεται είτε από το cd, είτε από το σκληρό δίσκο (Σχήµα 7). Σχήµα 7: Οθόνη για την επιλογή εκτέλεσης της εφαρµογής Επίσης, η εγκατάσταση είναι καθοδηγούµενη (Σχήµα 8). Σχήµα 8: Οδηγός εγκατάστασης

10 Για υπολογιστές µε µικρή δύναµη, είναι προτιµότερο να εγκαθίσταται το πρόγραµµα στο σκληρό δίσκο. Για πιο εξελιγµένους υπολογιστές, η εφαρµογή µπορεί να εκτελεστεί και από το cd. Για µεγαλύτερη ευκολία, κατά την εγκατάσταση της εφαρµογής δηµιουργείται στην επιφάνεια εργασίας η συντόµευση chem.exe. Η εφαρµογή ανοίγει επίσης και από το startup menu, όπου υπάρχει και η δυνατότητα απεγκατάστασης του λογισµικού. Βιβλιογραφία 1. Αρβανιτάκης Ν., «Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής στην πρωτοβάθµια εκπαίδευση», Εκδόσεις Κορφή, Λιοδάκης Σ., Γάκης., Θεοδωρόπουλος., Θεοδωρόπουλος Π., «Χηµεία Γ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης», ΟΕ Β, Αθήνα Κατάκης., Πνευµατικάκης Γ., «Πανεπιστηµιακή Ανόργανος Χηµεία - Τόµος Α», Petrucci R.H., Harwood W.S., Herring F.G., «General Chemistry», Prentice Hall, Λοϊζος Ζ., «Γενική Χηµεία - τεύχος 1 ο», Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα Τοσσίδης Ι.Α., «Γενική και Ανόργανη Χηµεία - Τόµος Α», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσ/κη, Morrison R. & Boyd R., «Οργανική Χηµεία - Τόµος Α», Γραφείο Εκτυπώσεων Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων, Peter K., Vollhadt C., Schore N.E., «Organic Chemistry 3.0», W.H. Freeman and Company, 1999.