МОЛЕКУЛЯРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРИ ВИВЧЕННІ ХІМІЇ
ЯК ЕЛЕМЕНТ STEM-ОСВІТИ
Мостєпан Н.М., вчитель хімії
Криворізького Центрально-Міського ліцею, вчитель-методист
Людина у будь-якій діяльності постійно користується моделями. Діти грають іграшками — зменшеними копіями реальних об'єктів. Для гри використовують не тільки готові моделі, а й створені власними руками з пластиліну, деталей конструктора. У школі діти ознайомлюються з іншими моделями: аплікація, рисунок, креслення, глобус, моделі фізичних пристроїв тощо. У подальшому житті люди також використовують моделі — макет
(проект) будинку, автомобіля, моделювання одягу та ландшафтного дизайну.
Моделювання — це особливий пізнавальний процес, метод теоретичного та практичного опосередкованого пізнання, коли суб'єкт замість безпосереднього об'єкта пізнання вибирає чи створює схожий із ним допоміжний об'єкт-замісник (модель), досліджує його, а здобуту інформацію переносить на реальний предмет вивчення. Моделі зазвичай бувають у вигляді малюнків, креслень, схем, таблиць, матриць, символів або описуються у вигляді тексту. В модель включають важливі з точки зору пізнання риси і виключають несуттєві. Моделі в широкому розумінні повинні відображати будь-що із об`єктів реального світу, що підлягає вивченню.
Моделі, які використовуються в науці, поділяються на дві групи. До першої групи відносяться всі матеріальні предметні моделі, які імітують структуру або функції об`єкта й безпосередньо сприймаються органами відчуття. До другої групи належать обчислювальні моделі, які існують як відображення об`єктів, що не можуть бути безпосередньо сприйняті за допомогою органів відчуттів (наочно-образні і логіко-символічні). Основні функції, які виконують моделі, це:
- усвідомлення дійсності;
- спілкування;
- навчання і тренування;
- інструмент для прогнозування;
- здійснення експериментів.
Але моделювання - це не тільки наочно-практичний метод навчання.
Спеціальні психолого-педагогічні дослідження показали, що ефективність навчання залежить від ступеня залучення всіх органів почуттів людини: чим різноманітніше чуттєве сприйняття навчального матеріалу, тим міцніше він засвоюється.
Метод моделювання володіє величезною евристичної силою, адже за його допомогою вдається звести вивчення складного до простого, невидимого і невідчутного до видимого і відчутного, незнайомого до знайомого, отже зробити будь-який, навіть дуже складний об'єкт доступним для ретельного і всебічного вивчення. Для того щоб учні оволоділи

моделюванням як методом наукового пізнання, недостатньо лише познайомити їх з науковим трактуванням понять моделі та моделювання, демонструвати їм різні наукові моделі і показувати процес моделювання окремих явищ і процесів. Треба, щоб школярі самі будували моделі, самі вивчали будь-які об'єкти, явища за допомогою моделювання.
Моделювання є ефективним методичним прийомом для реалізації принципів STEM-освіти:
1.
Під час створення моделей (тобто прототипів реальних об’єктів) учні залучаються до вирішення реальних проблем і ситуацій через застосування наукових знань, технологій, інженерії та математики.
2.
Розробка моделі – це проектна діяльність, що передбачає чіткі вимоги до продукту (матеріали, розміри, функціональні особливості тощо).
3.
Дуже часто створення моделей передбачає групову роботу, і щоб зробити якісний продукт, учні мають працювати як єдиний механізм, розподіляючи обов’язки між собою, ставлячи короткотривалі та довготривалі цілі та спільно вирішуючи проблеми, що виникають при моделюванні.
4.
Учні занурюються у практичне та відкрите дослідження, відбувається практична перевірка теоретичних знань та припущень.
5.
Процес моделювання відбувається з використанням елементів
інженерного проектування:

Визначення проблеми: учні виявляють та уточнюють проблему до вирішення.

Дослідження: члени команди шукають потрібну інформацію про проблему.

Розробка варіантів вирішення проблеми: учні пропонують, обговорюють та аналізують різні ідеї.

Вибір рішення та планування роботи.

Створення продукту.

Перевірка та тестування продукту.

Аналіз результатів роботи та удосконалення розробок.
Моделювання відіграє велику роль у формуванні наукового мислення, адже це процес, що вимагає побудови образних уявлень про реальність, логічного опрацювання створеної моделі і її перебудови, якщо з'являються протиріччя. В процесі моделювання учневі необхідно проробляти логічні операції - порівняння і аналогію, аналіз і синтез, систематизацію та узагальнення. Модель дозволяє виділити найбільш істотні сторони об'єкта, звернути на них особливу увагу.
В залежності від галузі використання моделі бувають:
• навчальні—наочні посібники, тренажери, навчальні програми;
• дослідні — створюються для дослідження характеристик реального об’єкта;
• науково-технічні—для дослідження процесів та явищ;
• ігрові моделі — для вивчення можливої поведінки об’єкта в запрограмованих або непередбачених ситуаціях;

• імітаційні моделі—виконується імітація дійсної ситуації, що багато повторюється для вивчення реальних обставин.
Модель фіксує існуючий рівень пізнання про досліджуваний об'єкт.
Неможливо створити універсальну модель, котра могла б відповісти на всі запитання, що викликають інтерес; кожна з них дає лише наближений опис явища, причому в різних моделях знаходять відображення різні його властивості. До моделювання звертаються тоді, коли досліджувати реальний об'єкт з усією сукупністю його властивостей недоцільно, незручно або неможливо. Це стосується, наприклад, моделей будови атома чи молекули, адже розмір молекул, як правило, незрівнянно менше тієї межі, який можна розглядати оком, навіть використовуючи найкращий оптичний мікроскоп - адже довжина хвилі видимого світла істотно перевершує характерні розміри більшості молекул. Практично модель є провідною ланкою між дослідником та об'єктом, виконує функції замінника об'єкта та дозволяє отримати нові знання про цей об'єкт.
Особливу роль в хімії відіграє молекулярне моделювання. Ще стародавні греки припустили, що матерія складається з атомів. Але до XX століття існування атомів і молекул було до кінця не підтверджено. Це пов'язано з роботами Бора та інших фізиків, які показали вже безсумнівно, що є атоми, і що є молекули. Уже до середини XX століття прогрес був величезний. Вже відкрили структуру біологічних молекул, структуру ДНК, структуру багатьох білків. У цей час уже були закладені ази молекулярного моделювання. Першими молекулярними моделістами були хіміки, які малювали структуру молекули на папері. Однак така проста форма запису часто не може дати поняття про будову молекули (як, наприклад,
«емпірична» формула гемоглобіну -
C
3032
Н
4816
N
780
О
872
N
780
S
8
Fe
4
- практично нічого не говорить про його будову).
Протягом третьої чверті XX століття структуру молекул передавали практично виключно за допомогою так званих «фізичних моделей», тобто буквально «збирали» молекулу в збільшеному масштабі з використанням підручних матеріалів: пластмасових кульок, мідних стрижнів і тому подібного.
Цікава історія відкриття альфа-спіральної структури білка. Відомий хімік Лайнус Полінг в одному з відеозаписів розповів, що захворів і лежав удома з жахливою нежиттю і читав детективи. У якийсь момент йому це набридло, він взяв листок і почав малювати поліпептидний ланцюг білків і а потім вирішив цей листок згортати. І тут йому стало очевидно, що ось вона - альфа-спіраль - саме таким чином ланцюг за допомогою водневих зв'язків утворює спіраль вторинної структури. Цей приклад доводить, що моделювання є способом наукового пізнання і допомагає робити наукові відкриття. Створення моделей білка, ДНК, фулерену було високо оцінено науковою спільнотою і їх автори Л. Полінг, Д. Ватсон, Ф. Крік, Р.Смолі та багато інших нагороджувались за свої відкриття Нобелівською премією.

Таблиця 1. Хронологія розвитку моделей молекул.
Автор (и)
Рік
Технологія
Опис
Кеплер