Co ułatwia komputer

Rozdział w trakcie pisania

W rozdziale tym zostaną przedstawione rozwiązania dydaktyczne możliwe w prosty sposób do uzyskania tylko przy pomocy programów komputerowych. 

Animacja jako jeden z przykładów wykorzystania komputera w procesie edukacji chemicznej

Animacja, jako alternatywa obrazu statycznego

Otaczający nas świat jest w pełni dynamiczny. W życiu codziennym oglądamy poruszające się samochody, liście na drzewach. A przecież i my sami poruszamy się i wprowadzamy w ruch różne przedmioty. Przez wiele lat, bo do początku XX wieku ruchomy obraz mogliśmy oglądać tylko w rzeczywistości, która nas otaczała. Wszelkie obrazy będące przekazem rzeczywistości były statyczne. Przedstawiony galopujący koń był uwieczniony w jakiejś fazie swojego ruchu. Ruch fascynował człowieka od dawna, fotografia pozwoliła na rejestrację poszczególnych faz ruchu. Dzięki czemu można było oglądać w galopie poszczególny fazy ruchu nóg końskich. Dłużej trwający obraz ruchomy będący odzwierciedleniem rzeczywistości nas otaczającej można było oglądać dopiero dzięki kinematografowi.(Znane były wcześniej proste urządzenia do pokazania migawek ruchu) Odtworzenie tego obrazu wymagało jednak odpowiedniego sprzętu. Na początku był on bardzo prosty. Wraz z rozwojem techniki stawał się on coraz bardziej skomplikowany. Przenośne projektory będące powszechnie dostępne jeszcze pod koniec pierwszej połowy XX wieku pozwalały na wyświetlanie w szkołach filmów dydaktycznych. Ruchomy obraz stał się dostępny do celów dydaktycznych. Kilkadziesiąt lat królował film. Wyparła go taśma magnetowidowa. A potem pod koniec XX wieku obraz ruchomy zapisywany był cyfrowo na płytach CD, DVD a obecnie też na twardym dysku oraz na dyskach i rejestratorach zewnętrzych. W edukacji przez długie lata panował niepodzielnie, jako jedna z pomocy dydaktycznych obraz nieruchomy - statyczny. Film był dla uczniów w tamtych czasach wielką atrakcją, gdyż nie był wykorzystywany powszechnie na lekcjach. Obraz statyczny jest nierozerwalnie związany ze słownym przekazem. Jest ilustracją, uzupełnieniem przekazywanych słownie treści. Jeszcze bardziej związany jest ze słowem pisanym, czyli podręcznikami szkolnymi. Obraz statyczny zdominował pomoce dydaktyczne, takie jak plansze, tablice, gabloty itp. Obraz statyczny mógł być też wyświetlany przy pomocy prostych środków takich jak epidiaskopy episkopy, projektory przeźroczy, grafoskopy a ostatnio też przy pomocy komputerów. Grafoskopy przeznaczone były głównie do wyświetlania obrazu statycznego z foliogramów. Jednak dzięki odpowiedniemu wykorzystania folii można było na nich stworzyć fozogramy. Fazogramy to, co najmniej dwie folie, które na płycie grafoskopu przesuwa się względem siebie otrzymując prosty obraz ruchomy. Uzyskanie obrazu ruchomego makroświata jest stosunkowo proste i nie wymaga skomplikowanego sprzętu. Natomiast stworzenie ruchomego obrazu mikroświata jest zabiegiem bardziej skomplikowanym. Ożywianie przedmiotów martwych znane w kinematografii jest od dawna. Tworzone w ten sposób filmy, w których poruszają się lalki, czy nieistniejące stwory a nawet zwierzęta nazywano animacją. Termin animacja ma bardzo szerokie znaczenie. W kinematografii termin ten oznacza ożywianie, nadawanie ruchu elementom statycznym. W otaczającym nas świecie możemy mówić o elementach i procesach zachodzących w świecie makro lub w świecie mikro. Na obraz w świecie makro, czyli ten, który możemy odbierać bezpośrednio przez nasze zmysły ogromny wpływ mają procesy zachodzące w świecie mikro. W chemii można stwierdzić, że, oglądany przez na obraz w świecie makro jest konsekwencją obrazu mikro, będącego poza zasięgiem naszych zmysłów. Świat mikro (głównie świat cząstek elementarnych, atomów, jonów, cząsteczek), poznajemy w sposób pośredni, dzięki odpowiednio skonstruowanym urządzeniom. W dużej mierze opiera się on na obliczeniach matematycznych weryfikowanych potem eksperymentalnie. Zrozumienie procesów zachodzących w mikroświecie pozwala na prawidłowe zrozumienie procesów chemicznych zachodzących w makro świecie. Świat makro wydający się dla nas, jako statyczny, faktycznie jest dynamiczny. Oglądając kryształ cukru spożywczego, czy chlorku sodu nie widzimy, żadnego ruchu, jednak faktycznie w tych kryształach drgają cząsteczki lub jony. Z tego powodu obraz mikroświata można pokazać tylko wykorzystując do tego celu odpowiednie modele. Wyobrażenia powstałe w umyśle odbiorcy w czasie edukacji chemicznej powstające wskutek podawania informacji słownych, opisu nie zawsze są prawidłowe, a na pewno nie wszystkie jednakowe w danej grupie odbiorców. Trochę lepiej przedstawia się sytuacja, gdy są stosowane przekazy z wykorzystaniem różnych form graficznych takich jak rysunki, fotografie, schematy. Jednak przekaz słowny czy nawet statyczny graficzny wymaga od odbiorcy wyobrażenia sobie ruchu. A te wyobrażenia nie zawsze są prawidłowe. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie modeli dynamicznych, którymi są animacje. W procesie kształcenia chemicznego animacje odgrywają bardzo dużą rolę. Mogą one stanowić, źródło informacji, co można określić, jako animacja bierna. Ale też przy ich pomocy można sprawdzać wyobrażenie o mikroświecie, taką animację można nazwać czynną. W animacji biernej ograniczamy się tylko do jej odbioru, natomiast w animacji czynnej jesteśmy jej twórcami. Obecne techniki komputerowe pozwalają w łatwy sposób stosować zarówno animacje czynną jak i bierną. Można stwierdzić, że dzięki animacji czynnej jesteśmy w stanie diagnozować i "wychwytywać" u nauczanych błędne wyobrażenia dotyczące budowy mikroświata. (M. Nodzyńska, J.R. Paśko, Modele dynamiczne - jako jedno z zadań zaliczeniowych na przedmiocie "Dydaktyka chemii", Aktuálni otázky výuky chemie, t XV, str. 367 - 371, Gaudeamus, Hradec Králowé 2005.) Animacje dotyczące mikroświata, tworzone zarówno dla odbiorcy jak i w celu sprawdzenia poprawności wyobrażeń o mikroświecie powinny spełniać te same warunki. Podstawowym warunkiem tego rodzaju animacji jest ich zgodność z obecnym modelem budowy mikroświata. Ważnym jest jednak, aby model ten jak każdy model pokazywał najbardziej istotne cechy a cały przekaz był dostosowany do poziomu odbiorcy. Dlatego też inne będą animacje przeznaczone dla uczniów szkoły podstawowej inne dla uczniów szkół średnich inne dla studentów a jeszcze inne dla specjalistów w danej dziedzinie. Podstawowe założenia animacji odnoszących się do mikroświata. (J.R. Paśko "Koncepcja tworzenia modeli dynamicznych do stosowania w procesie kształtowania pojęć dotyczących struktury materii na poziomie mikroświata" str. 149 - 152, Informační technologie ve výuce chemie, Gaudeamus, Hradec Králové, 2004.) " Modele atomów, jonów i cząsteczek powinny ukazywać jądro atomu otoczone chmurą elektronową, której gęstość maleje wraz z odległością od jądra (elementy budowy mikroświata takie jak atomy, jony cząsteczki nie posiadają wyraźnej ostrej granicy); Jednak w tym przypadku musi być stosowane pewne uproszczenie, ze względu na zbyt dużą różnicę w umownej średnicy atomu i średnicy jądra. W celu zapewnienia dobrej czytelności animacji w modelu jądro atomu ma większą średnicę w stosunku do średnicy atomu. " Należy zachować odpowiednie proporcje między rozmiarami atomów, jonów i cząsteczek. Wielkości elementów w danej animacji powinny być w takiej samej proporcji względem ustalonych literaturowo rozmiarów tych elementów. " Kształt cząsteczek oraz rozmieszczenie elementów w kryształach powinien odpowiadać ich rzeczywistemu rozłożeniu. " Modelowany przebieg reakcji chemicznej powinien odpowiadać mechanizmowi oraz kinetyce procesu. " W miarę możliwości elementy w animacji powinny być szare, aby nie sugerować, że atomy lub jony mają barwę. Przy tak małych elementach nie można mówić o ich barwie. Jednak w celu łatwiejszego zrozumienia mechanizmu reakcji można w animacji przejściowo stosować barwne elementy. Jednak kolor powinien się wyłaniać z szarego modelu. " W przypadku animacji procesów, w których biorą udział struktury jonowe lub takie powstają należy najpierw pokazać strukturę jonową potem wydzielić te elementy, które spełniają warunek stechiometrii. A gdy powstają jonowe struktury przejść od najmniejszych elementów kryształu, które powstał, do struktury kryształu. Aby animacje były łatwe w odbiorze muszą spełniać kilka dodatkowych warunków. Niektóre z nich w przypadku modeli statycznych nie są istotne, natomiast w tym przypadku rzutują na możliwość odbioru. - szybkość animacji, ( czyli poruszających się elementów) musi być dostosowana do możliwości percepcji widza. Dlatego w tym przypadku wprawdzie pokazujemy ruch atomów jonów cząsteczek, jednak należy pamiętać, że ze względów dydaktycznych ruch ten jest wolniejszy niż w rzeczywistości. - Plansza animacji powinna pozwalać na jej zatrzymanie, (co jest często konieczne w celu przekazania odpowiedniego komentarza). Dlatego na planszy powinny być przyciski pozwalające na zatrzymanie animacji oraz na poklatkowe przesunięcie obrazu do przodu lub do tyłu (jest to istotne przy konieczności powtórzenia ostatniej sekwencji w celu lepszego zrozumienia zachodzącego procesu) - W niektórych przypadkach dobrze jest posiadać dwie animacje, na jednej z nich modele atomów są opisane przez symbole pierwiastków. - W niektórych przypadkach na animacji w odpowiednim momencie, gdy już powstanie cząsteczka mogą pojawić się klasyczne wiązania przedstawiane w postaci kresek Przykłady wykorzystania animacji: - Reakcja magnezu z chlorem w wyniku, której powstaje chlorek magnezu, substancja o strukturze jonowej. W animacji tej wyraźnie można pokazać, że atom magnezu oddając elektrony przechodzi w jon dodatni o mniejszej objętości niż atom, z którego powstał. Natomiast atomy chloru przyjmując elektrony, przechodzą w jony ujemne o większej objętości niż atomy, z których powstały. - Reakcja tlenu z wodorem w wyniku, której powstaje woda. W tej animacji można pokazać jak powstaje cząsteczka wody poprzez przyłączanie się atomów wodoru do atomu tlenu. Wiązanie zostaje wytworzone poprzez utworzenie wspólnej chmury elektronowej z chmur elektronowych atomów wodoru i tlenu. Dodatkowo animacja ta pokazuje, że reakcja zachodzi dzięki ruchowi cząsteczek tlenu i wodoru a w końcowej fazie pokazuje kształt powstałej cząsteczki. - Rozpuszczanie cukru spożywczego (sacharozy) w wodzie. Dzięki tej animacja można pokazać, jak cząsteczki wody wybijają z kryształu cząsteczki cukru, w wyniku czego tworzy się roztwór. Animacja pozwala pokazać, że stężenie cząsteczek cukru jest największe przy samym krysztale, natomiast w miarę oddalania się od niego maleje. W wersji bardziej rozbudowanej istnieje możliwość pokazania, że w roztworze nasyconym następuje równowaga dynamiczna. W tym samym czasie tyle samo cząsteczek przechodzi do roztworu ile przyłącza się do kryształu. Animacja ta pozwala też na pokazanie wpływu temperatury na szybkość rozpuszczania. Ciekawostką dla uczniów jest zjawisko zachodzące w rozworze nasyconym a polegające na znikaniu małych kryształów a powiększaniu się większych. Proces ten zachodzi stosunkowo wolno. W rzeczywistości można zaobserwować stan roztworu na początku doświadczenia i na jego koniec. Natomiast animacja pozwala na wyjaśnienie tego zjawiska. - Rozpuszczanie chlorku sodu w wodzie. Animacja ta pozwala na wyjaśnienie pojawienia się jonów chlorkowych i sodu po rozpuszczeniu kryształu tej soli w wodzie. Obrazowo umożliwia wykazanie roli wody w tym procesie. Jak w przypadku rozpuszczania cukru spożywczego w wodzie tak i w przypadku rozpuszczania chlorku sodu można przy pomocy animacji pokazać te same procesy. Jednak w roztworze chlorku sodu i jego krysztale będą występowały jony. - Dyfuzja w cieczy. Jeżeli do wody wprowadzimy kroplę barwnego roztworu. To możemy zauważyć mieszanie się wody z roztworem w wyniku, czego po pewnym czasie nowy roztwór przyjmuje jednolite zabarwienie. Proces ten nosi nazwę dyfuzji. Tylko przy pomocy animacji można pokazać mechanizm zachodzenia dyfuzji, gdyż dyfuzja jest procesem dynamicznym i główną rolę odgrywa w tym przypadku ruch cząsteczek wody. - Topnienie ciała stałego. Animacja ta pozwala pokazać jak w miarę wzrostu temperatury rośnie energia elementów budowy kryształu co objawia się ich drganiem z coraz większą częstotliwością. W przypadku lodu można pokazać jak cząsteczki wody w krysztale drgają coraz szybciej. W pewnym momencie osiągają energię większą niż energia wiązania elementów kryształu. Topnienie powoduje chaotyczny ruch elementów, z których był zbudowany kryształ w powstałej cieczy. - Mechanizm estryfikacji. Na wyższym stopniu edukacji przy pomocy animacji można pokazać mechanizm estryfikacji lub innego procesu. Animacje pozwalają też na łączenie oglądanych procesów w skali makro z ich przyczynami w skali mikro. Przykładem takiej animacji może być pokazanie przyczyny wiatru i jego skutków. W takiej animacji w miarę uporządkowany ruch cząsteczek powoduje pochylanie się zboża. Ruch cząsteczek jest elementem mikro oddziałującym na element w skali makro któram jest obserwowane pochylenia zboże. Innym przykładem jest obieg wody w przyrodzie. Animacje procesów chemicznych pozwalają na wykazanie, że w świecie mikro zachodzi ciągły ruch, nawet w ciałach stałych zachodzi drganie elementów ich budowy. Modele pokazane w szarości nie powodują błędnych kodowań, że można określić barwę atomu. Jest to istotne w przypadku barwnych pierwiastków takich jak siarka, fosfor, chlor itd. W animacji można pokazać zależność pomiędzy temperaturą a szybkością ruchu cząsteczek, lub ich drgań w ciałach stałych. Dzięki animacjom można też pokazać w sposób dynamiczny przejście od modelu do wzoru strukturalnego a następnie do wzoru sumarycznego. Animacje pozwalają już od początku edukacji szkolnej nauczać o strukturze materii i jej powiązaniem z obserwowanymi zjawiskami. (I. Paśko, Wykorzystanie modeli w edukacji przyrodniczej, Sucasnost a perspektivy didaktiky chemie, Donovaly, str. 103-105)

Powrót do spisu treści

Powrót do strony głównej