Введение к работе
При изучении неорганической химии одной из важнейших проблем является обучение методам решения задач, в особенности, количественных задач химии. Задачи на количественные соотношения являются важной частью школьного и вузовского курсов неорганической химии. Расчеты состава молекул и смесей, расчеты необратимых и равновесных реакций, расчеты процессов приготовления растворов, расчеты физико-химических параметров систем являются необходимыми навыками химика.. Для целей обучения химическим расчетам существует большое количество задачников по общей и неорганической химии.
Существующая практика преподавания химии показывает, что ученики часто имеют слабые навыки в решении задач. Причем это может иметь место на фоне удовлетворительного знания фактического материала химии.
Рассмотрим подробнее данную проблему. Чтобы привить прочные навыки в решении химических задач требуется, во-первых, научить методам решения задач, во-вторых, закрепить эти знания.
Обучение алгоритмам решения происходит при демонстрации и подробном разборе решений задач. Для этого при классном и самостоятельном обучении используются различные методические пособия, которые излагают задачи и их решения.
Закрепление знаний происходит при многократном повторении решений однотипных задач. Именно стадия закрепления материала позволяет свободно овладеть методами решения. На данном этапе обучения необходима постоянная проверка правильности решения задачи. Если задача решена неправильно, то требуется проверить решение ученика или продемонстрировать правильное решение.
На всех стадиях обучения необходимо постоянное взаимодействие учителя и ученика. Такое обучение в полной мере возможно лишь в группах с небольшим количеством учеников. Практика показывает, что приобретение навыков решения задач самостоятельно или в группах с большим количеством учеников затруднено.
Наряду с классическими учебными средствами в последнее
время в обучении используются компьютерные обучающие программы. Необходимость использования компьютера в обучении в настоящее время неоспорима. Это подтверждается и большим количеством компьютерных обучающих программ, и накопленным опытом их использования. Определились области наибольшего применения ЭВМ и сложились соответствующие типы обучающих программ.
Важное место среди компьютерных обучающих средств занимают проверяющие программы. Подобные программы представляют собой систему задач, упражнений, тестов по определенной дисциплине или теме. ' Они предоставляют ученику возможность решать задачи (выполнять упражнения, тесты), проверяют работу ученика и оценивают правильность его решений. Такие программы незаменимы для достижения состояния свободного владения материалом. Наличие интерактивных возможностей позволяет проверяющим программам существенно облегчить обучение, в особенности на стадии закрепления материала.
Компьютерные программы постоянно используются при обучении в различных разделах химии. Анализ существующих программ по химии показал, что тестирующие программы активно разрабатываются, в первую очередь для органической химии. Существующие программы по количественным соотношениям в неорганической химии охватывают незначительное количество тем и являются чисто тестирующими программами, то есть не содержат решений задач.
Актуальность данной работы определяется необходимостью создания интерактивного обучающего средства по количественным соотношениям неорганической химии, которое, с одной стороны, охватывало бы достаточно широкий круг тем, а с другой стороны, позволяло бы обучать методам решения задач и эффективно закреплять материал.
Традиционно, компьютерные задачники состоят из коллекции задач или уроков и программы, которая проигрывает эти задачи или уроки. Задачи и уроки предопределены. Достоинством такого устройства является то, что задачи и уроки могут постоянно изменяться и дополняться в рамках возможностей проигрывающей программы. Причем, обычно, это может производить не только разработчик программы, но и преподаватель.
Отметим одну важную особенность обучения методам решения задач. Обучение происходит успешно, если количество возможных задач достаточно велико. В традиционных компьютерных задачниках эта проблема разрешается при постоянном наращивании количества задач. Для того, чтобы обучение было эффективным, необходимо для каждой задачи иметь подробное решение. Так как список задач предопределен, то для каждой задачи необходимо создать и хранить ее решение. Для большого числа однотипных задач это достаточно трудоемко. Это приводит к значительному увеличению объема программы. Так же особенные усилия требуется прилагать для защиты решений от несанкционированного доступа.
Эти проблемы снимаются при ином устройстве программы, когда программа может генерировать условия задач прямо в момент своей работы. Условия задачи создаются случайным образом по определенным алгоритмам. В этом случае предопределенными являются алгоритмы создания, а не сами задачи. Такие генераторы задач разрабатывались в других предметных областях для целей тестирования.
В нашем случае требуется не только создание условия задачи (генератор условий), но и создание, в момент работы программы, решения задачи. Такой генератор решений должен уметь не только получить ответ, но и продемонстрировать свое решение.
Достоинством подобных программ является то, что условия задач практически не повторяются.1' Это позволяет иметь произвольно большой набор однотипных задач и их решений. К недостаткам подобных программ следует отнести то, что пока преподаватель не может сам изготавливать задачи, это может делать лишь разработчик программы.
Данная работа посвящена разработке алгоритмов создания и алгоритмов решения задач и их программной реализации для достаточно широкого круга количественных задач неорганической химии.
Объетюы данного исследования являются задачи на количественные соотношения неорганической химии.
Сущностью количественных химических задач является расчет состояний и процессов смены состояния физико-химических
систем. Системы состоят из компонентов, которые представляют собой различные проявления вещества (элементы, молекулы, смеси и т.д.). Состояние систем описывается различными количественными параметрами системы и ее компонентов (вес, объем, концентрации, температура и т.д.). Процессы также имеют состав и количественное описание. И, наконец, сами задачи имеют различные типы и задаются всевозможными полями данных (исходными и искомыми веществами, количествами и т.д.).
Для того, чтобы функционировали системы создания условий и решений количественных химических задач, требуется создание детально разработанной системы представления вещества, процессов, количеств и задач.
Целью данной работы является разработка системы представления вещества, процессов, количеств, задач; системы (генераторов) создания условий и решений количественных химических задач; создание пакета компьютерных программ, которые обеспечивают самостоятельное или интенсивное классное обучение методам решения подобных задач.
Новизна работы состоит в разработке системы представления задач на количественные соотношения неорганической химии, генераторов условия и решения задач; в создании пакета программ, который содержит достаточно широкий набор типов задач, создает условия и решения задач во время работы программы и демонстрирует подробное решение практически любой созданной задачи.
Практическая значимость работы состоит в том, что в результате исследования создан пакет обучающих и тестирующих программ по количественным соотношениям неорганической химии для среднего и высшего образования.
Апробащія работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-методической конференции: Компьютерные технологии в высшем образовании. (14-18 марта 1994, Санкт-Петербург), на Международной научно-методической конференции: Новые информационные технологии в университетском образовании (15-18 марта 1995, Новосибирск). В данный период происходит опытное использование пакета программ в химических классах физико-математической школы им. М.А.Лав-рентева при НГУ.
_ 5 -
Результаты диссертационной работы полностью получены автором.
Да защиту выносятся следующие положения:
-
Система представления вещества, процессов и количеств.
-
Система представления достаточного большого набора количественных задач неорганической химии.
-
Системы (генераторы) создания условий и решений задач.
-
Пакет компьютерных программ обучающий методам решения подобных задач.
Описание пакета программ.
Пакет "Количественный тренажер по неорганической химии" состоит из четырех программ:
-
Программы для учителя;
-
Программы для работы с проверяющими уроками;
-
Программы для.решения контрольных;
-
Программы для самостоятельного обучения.
Основой пакета программ является программа для самостоятельного обучения (именуемая в дальнейшем программа). Дадим ее краткое описание.
Программа содержит задачи по следующим темам:
уравнивание химических реакций;
пересчет различных количеств и изучение понятия моля;
расчет состава молекул и определение химической формулы;
расчет необратимых химических реакций;
пересчет концентраций;
расчет состава растворов;
расчет процессов смешения (разбавления) растворов;
расчет необратимых химических реакций в растворе;
расчеты по газовым законам;
расчет реакций с участием газов;
расчет состава систем равновесных по реакции;
расчет установления равновесия по реакции;
расчеты по реакции одноступенчатой и совместной диссоциации.
Программа представляет собой интегрированную среду, которая предоставляет обучаемому следующие возможности: выбрать задачу, решить задачу, проверить решение задачи, получить правильный ответ на задачу, получить подробное решение задачи.
Выбор задачи ученик производит, выбирая тему задачи. Далее программа случайным образом создает вариант условия задачи определенной сложности. В задачах используются вещества и реакции. При создании задачи программа выбирает их из справочника, который содержит около 400 веществ и 400 реакций. Обучаемый может сам определить список веществ и реакций, используемых при создании задач.
Решение задачи ученик производит в специализированном редакторе, который позволяет писать текст, химические формулы и производить вычисления прямо в тексте. Редактор позволяет производить достаточно сложные вычисления из элементарных действий (сложение, вычитание, умножение, деление и возведение в степень) с использованием скобок. При вычислении возможно использование экспоненциальной функции и натуральных логарифмов. Содержимое редактора можно сохранять в файле и читать из файла.
Обучаемый может проверить на правильность свой ответ. При этом программа сама решит выбранную обучаемым задачу, найдет ответ и сравнит его с ответом обучаемого. Сравнение ответов делается с определенной точностью, которая может изменяться обучаемым.
Обучаемый может получить ответ на выбранную им задачу. При этом программа сама репшт данную задачу, найдет ответ и продемонстрирует его обучаемому.
Обучаемый может получить подробное, поэтапное решение выбранной им задачи. При этом программа сама получит решение задачи и продемонстрирует его обучаемому. Наличие подробных решений задач позволяет эффективно обучать методам решения количественных задач.
