что такое в химии моделирование

Моделирование на уроках химии

Разделы: Химия

Одно из направлений работы школы в настоящее время состоит в модернизации содержания образования, адекватного потребностям общества. Основное внимание в этой работе уделено профилизации обучения на старшей ступени общеобразовательной школы.

Профильное обучение в настоящее время рассматривается как “…средство дифференциации и индивидуализации обучения, когда за счёт изменений в структуре, содержании и организации образовательного процесса более полно учитываются интересы и склонности учащихся, создаются условия для образования старшеклассников в соответствии с их профессиональными интересами и намерениями в отношении продолжения образования”. [1].

В соответствии с Федеральной программой развития образования профильное образование введено с 2006-2007 учебного года во всех регионах России. В МОУ “Корниловская средняя школа” в 2006-2007 учебном году был открыт 10 химико-биологический профильный класс, а также в 2008-2009, 2009-2010 учебных годах.

Переход к профильному обучению преследует несколько целей. Среди них – обеспечение углублённого изучения отдельных предметов, расширение возможностей социализации учащихся, обеспечение преемственности между общим и профессиональным образованием, а также более эффективная подготовка выпускников школы к освоению программ высшего профессионального образования. [3].

Инновация (от лат. in – в, novus- новый) означает нововведение, новшество. Главным показателем инновации является прогрессивное начало в развитии школы. Поэтому инновации в системе образования могут внести изменения, например в цели, содержание, методы и технологии, формы организации, в стили педагогической деятельности и организацию учебно-познавательного процесса, в систему контроля и оценки уровня образования, в деятельность учителя и ученика и т.п. Нововведения могут быть также в средствах педагогического процесса. По признаку масштабности (объёму) нововведения могут быть локальными и единичными, комплексными, системными; по признаку инновационного потенциала выделяют радикальные преобразования, комбинаторные, модификации известного, связанные с усовершенствованием, рационализацией, видоизменением уже принятого. [2].

Мой инновационный опыт методической работы заключается в выборе метода обучения – моделирование, где в качестве средства педагогического процесса выбрано моделирование углеродного скелета молекул веществ в виде фишек. Несомненно, данное нововведение является единичным, модификацией известного, видоизменением уже принятого. Источником идеи обновления послужило творчество и интуиция, педагогический опыт, как путь проб и ошибок.

Для школьного курса химии наибольшее значение имеют те понятия, которые составляют теорию строения, так как они позволяют объяснить различные химические явления, процессы. В ходе анализа выполненных учащимися контрольных работ на уроках, задач и упражнений на занятиях элективного предмета, заданий контрольно-измерительных материалов при подготовке к ЕГЭ приходишь к выводу, что ошибки школьники допускают однотипные. Например, переносят признаки одного химического понятия на другое, смешивают понятия, свойства веществ, затрудняются объяснить особенностями строения, не умеют переносить знания на новые факты (применение знаний в новой ситуации), неглубоко используют теорию для объяснения фактов.

Причины ошибок могут быть в следующем: не каждое химическое понятие удаётся раскрыть полностью из-за большого их количества на отдельном уроке; отсутствует систематическое развитие некоторых химических понятий в процессе преподавания; редко применяется моделирование молекул веществ, химических процессов, производств; не всегда удаётся использовать приёмы систематизации и обобщения знаний учащихся по причине большого объёма теоретического материала и ряд других причин. Выявить типичные ошибки и найти причины их проявления, это одно, а главное найти пути предотвращения ошибок учащимися, повысить качество знаний, умений, навыков.

Курс органической химии в старшей профильной школе начинается с изучения строения органических веществ, теории строении А.М.Бутлерова. Так как основным вопросом является зависимость свойств вещества от его строения, для школьного курса химии этот материал имеет первостепенное значение. Для его понимания учащиеся должны получить знания о теориях химического, электронного и пространственного строения органических веществ.

Молекула вещества характеризуется химическим, пространственным строением. Не зная одного – химического строения, невозможно узнать другое – расположение атомов молекулы в пространстве. Химическое строение – это базис для установления пространственного строения. Установление пространственного строения – более высокий этап познания строения. Для понимания закономерностей химических реакций необходимы знания о составе, химическом и пространственном строении и электронной теории химической связи. Понятия химии высокомолекулярных соединений непосредственно связаны с составом и строением. Все эти понятия находятся во взаимосвязи и взаимозависимости.

В курсе органической химии в отличие от неорганической меняется соотношение конкретного и абстрактного материала в сторону усиления абстрактного. Многие понятия связаны с познанием явлений микромира, где в основном отсутствует возможность использования химического эксперимента.

Возрастание абстрактной мыслительной деятельности учащихся в связи с повышением теоретического уровня курса органической химии приводит к повышению роли различных средств наглядности (моделирования, химического эксперимента, технических средств и других) в процессе формирования понятий. Всё больше возрастает гносеологическая роль моделей, так как современное научное знание становится всё опосредованнее, абстрактнее. Модели в учебном процессе облегчают задачу учащимся в познании абстрактных понятий курса органической химии. [5].

Моделирование – один из методов научного познания.

Учащимся поясняют, что модель (от лат. modulus – образец, эталон, мера) – это искусственно созданный объект (образец) в виде конструкции или условного изображения его с помощью схемы, чертежа, графика, карты, рисунков, знаков, формул и др.

С моделями учащиеся знакомились с детства (игрушки, конструкторы, заводные машины и др.). В школе учащиеся используют глобус – модель Земли, географическую карту – модель поверхности Земли. Им знакомы биологические модели в виде муляжей внутренних органов человека и животных; математические модели в виде чертежей, систем математических уравнений. В химии используют модели строения атома, вещества, шаростержневые и сферические модели молекул, модели химических производств.

Моделирование – это метод исследования, при котором объект замещается другим объектом, находящимся в отношении подобия к первому объекту. В химии моделирование занимает одно из ведущих мест, потому что непосредственное наблюдение внутреннего мира веществ невозможно.

Способность к моделированию во многом определяет способность учащихся к познанию. Для выпускника школы умение моделировать социально значимо. Моделирование – процесс, требующий построения образных представлений о реальности, логической проработки созданной модели и её перестроения, если появляются противоречащие факты. Формирование у школьников способностей к моделированию представляется важным направлением обучения познанию. [1].

Модель позволяет выделить наиболее существенные стороны объекта, обратить на них особое внимание. Например, при рассмотрении моделей строения молекул предельных углеводородов акцент делается на тетраэдрическое строение атома углерода. Модели можно использовать для проблемного изложения. Например, выяснив вопрос о тетраэдрическом строении молекулы метана, можно будет поставить перед учащимися проблему о пространственном строении его гомологов.

В процессе моделирования ученику необходимо проделывать логические операции – сравнение и аналогию, анализ и синтез, систематизацию и обобщение. В основе выполнения моделей лежат умственные действия. Составление моделей способствует у ученика развитию мотивационной сферы, интеллекта, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью. [1]. В этом и есть смысл личностно ориентированного подхода в образовательном процессе. Так, например, в процессе моделирования учеником углеродного скелета молекулы вещества, пространственного расположения атомов в молекуле, главной является деятельность познания химии; ученик является на уроке центральной фигурой; приоритетными становятся самостоятельное приобретение учащимися химических знаний и применение полученных знаний о веществах. Работа ученика по конструированию углеродного скелета молекул совместно с одноклассниками является активной формой обучения, нежели просмотр слайда или видеоролика по данной теме. В процессе общения учитель – ученик, ученик – ученик проявляется взаимное уважение к личности. Во главу угла ставится не сама химия с её основными понятиями, а ученик, который эти понятия должен усвоить в процессе индивидуальной учебной деятельности (человекоцентрический подход).

В процессе моделирования у школьника успешно формируется предметная химическая компетентность. Компетентность заключается в развитии представления о том, что окружающий мир состоит из веществ, которые характеризуются определённой структурой и способны к взаимным превращениям; существует связь между структурой, свойствами и применением веществ; в формировании химического мышления, умения анализировать явления окружающего мира в химических терминах, способности говорить и думать на химическом языке. [3].

Вместе с тем учащиеся должны понимать, что модели упрощают объект, так как в них отражаются лишь определённые существенные стороны объекта. Модели отражают современное знание об объекте, они не отходят от истины, а приближаются к ней. Модель сама нуждается в теоретическом истолковании. [1].

В процессе обучения химии я использую различные модели: знаковые (молекулярные и структурные формулы); шаростержневые модели молекул, применяя комплект лабораторного оборудования “Моделирование молекул” (3053RМ и 3054RМ); модели гибридных облаков с помощью воздушных шаров, а также модели углеродного скелета молекул в виде фишек (см. приложение-фото 17)

Фишки (кружочки) вырезаются учащимися из цветного картона диаметром 15-20мм, стерженьки – шириной 5мм, длиной 30-35мм. Количество фишек и стерженьков определяет сам учитель, их число можно увеличить. Во время работы на уроке по моделированию у каждого ученика имеется конверт с фишками.

Так как органические вещества – это соединения элемента углерода, то фишка будет символизировать атом углерода, а стержень – химические связи между атомами в молекуле. Фишки следует вырезать из картона одного цвета. Для атомов углерода используем картон черного цвета, по аналогии окраски шариков в шаростержневых моделях. Если потребуется показать наличие заместителя, например, атом галогена или функциональную группу, необходимо применить фишку другого цвета: для атома галогена – зелёный цвет, для функциональной гидроксогруппы – красный, аминогруппы – синий. Так как моделирование рассчитано только на изображение углеродного скелета молекулы вещества, атомы водорода показывать не обязательно (на усмотрение учителя).

Моделирование углеродного скелета молекул органических веществ ориентировано на формирование знаний, умений, навыков учащихся по теме “Химическое строение вещества”. Но оно никоим образом не заменяет работу по моделированию молекул веществ с помощью шаростержневых моделей, способствующих формированию понятия “пространственное строение вещества”.

Понятие “строение органического вещества” изучается в логической цепочке в курсе химии: химическое – электронное – пространственное строение. Моделирование углеродного скелета молекул веществ с помощью фишек я использую при объяснении химического строения вещества. Воздушные шары как модели гибридных облаков углеродных атомов применяю для формирования у школьников понятия “электронное строение вещества”. Шаростержневые модели молекул позволяют объяснить ученикам расположение атомов в молекуле в пространстве. Данные средства обучения применяю широко в течение всего учебного года.

Моделирование углеродного скелета молекул веществ можно использовать при объяснении нового материала, при повторении, закреплении пройденного, возможно организовать домашнюю работу по выполнению упражнений. Формы обучения могут быть также различными: с фишками работает один ученик, работа в паре или в малокомплектной группе. Ученик не только слушает учителя, моделирует углеродный скелет молекулы по его указанию, но и выполняет самостоятельно, “живёт” своими мыслями, конструируя модель, ждёт одобрения учителя, поддержки одноклассников. Такой вид деятельности связан с созданием коммуникативной среды, расширением пространства сотрудничества на уровне “учитель – ученик”, “ученик – ученик”, “учитель – автор”, “ученик – автор” в ходе постановке и решения учебно-познавательных задач.

Комплекты лабораторного оборудования “Моделирование молекул” (3053RМ и 3054RМ) позволяют организовать естественнонаучный практикум по моделированию молекул веществ в курсе химии. Наборы предназначены для индивидуальной работы учащихся или работы в малых группах. Молекулярные модели наглядно демонстрируют стехиометрическую валентность и пространственное расположение атомов, входящих в молекулы. С помощью данного комплекта можно смоделировать молекулы веществ разных классов, рассмотреть явление гомологии и изомерии, прояснить механизмы многих химических реакций, познакомить с валентными состояниями атома углерода, облегчить выведение структурных формул, как в неорганической, так и в органической химии.

По программе курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений О.С.Габриеляна (профильный уровень) тематическое планирование составляю по 102 учебных часа в 10 и 11 классах. Курс органической химии 10 класса начинается с Введения, на который предусмотрено 5 часов, и 10 часов даётся на изучение темы 1 “Строение и классификация органических соединений”. Полученные в начале учебного года теоретические знания учащихся закрепляются и развиваются на богатом фактическом материале химии классов органических соединений, которые рассматриваются в порядке усложнения от более простых (углеводородов) до наиболее сложных (биополимеров). Для школьного курса органической химии, построенного на определённых дидактических принципах (научность, доказательность, доступность, историчность и др.), основой является теория химического строения.

Классическая теория химического строения даёт возможность судить о порядке соединения атомов в молекулах, позволяет отражать строение в виде структурных формул, по строению предсказывать их свойства. Структурные формулы – основа научного языка органической химии, с их помощью формируются многие химические понятия. [5]. Уже с первого урока учащиеся должны уметь составлять молекулярные и структурные формулы веществ, знать причины многообразия органических соединений. Применяя моделирование углеродного скелета молекул веществ, этих требований к уровню подготовки обучающихся можно добиться легко и быстро. При моделировании важно проследить за тем, чтобы школьники могли отразить на бумаге графическое строение вещества, изображая полные или сокращенные структурные формулы.

Можно познакомить учащихся, прибегая к моделированию, с четырехвалентностью углерода, свойством его атомов образовывать одинарные и кратные связи (смотри приложение, фото 1).

Учащиеся должны знать о свойстве атомов углерода образовывать прямые, разветвленные и замкнутые цепи (смотри приложение, фото 2).

При моделировании углеродного скелета молекул веществ учащиеся легко понимают и запоминают, что такое первичные, вторичные, третичные, четвертичные атомы углерода (смотри приложение, фото 8).

Во многих сборниках заданий на повторение, закрепление пройденного учебного материала предлагаются упражнения на определение количества изображенных веществ в виде структурных формул. Не каждый ученик уже на первых уроках сможет правильно выполнить такое задание. Надо научить его видеть углеродный скелет молекулы вещества, определённый порядок соединения атомов углерода, научить нумеровать углеродную цепь (смотри приложение, фото 9). На моделях можно сохранить химические связи только между углеродными атомами.

Для закрепления основных положений номенклатуры ИЮПАК как системы названий веществ выполняются различные упражнения. Например: составьте углеродный скелет молекулы любого предельного одноатомного спирта и назовите его или по названию вещества составьте углеродный скелет молекулы (смотри приложение, фото 13).

Формирование понятия изомерии слагается из трех этапов: первый включает выделение существенных признаков понятия и его определение; второй связан с выявлением связи между изомерами и гомологами; третий включает различные формы проявления существенных признаков изомерии при изучении последующих классов органических веществ, а также изомерию между веществами различных классов[5]. В процессе моделирования отрабатываем все признаки понятия изомерии на примере предельных углеводородов: состав – химическое строение – свойства. Строим углеродные скелеты молекул гомологов и рядом изомеров, сравниваем, в тетрадь заносим структурные формулы веществ, делаем выводы. При выполнении упражнений при моделировании указываем существенные признаки структурной изомерии (смотри приложение, фото 14), выясняем характерные черты межклассовой изомерии (смотри приложение, фото 15). При изучении разных классов органических веществ закрепляем данное явление изомерии как одно из причин многообразия веществ.

Моделирование углеродного скелета даёт возможность познакомиться с особенностями классификации веществ одного класса: например, выполнить упражнение по моделированию кумулированного, сопряженного и изолированного алкадиена (смотри приложение, фото 16) и другие.

В конце изучения темы “Теория химического строения органических веществ”, на уроках обобщения и систематизации знаний учащихся по рассмотрению учебного материала конкретного класса или группы веществ в качестве закрепления изученного применяю метод моделирования, используя фишки или шаростержневые модели (смотри приложение, фото 17).

Чем шире используются в учебном процессе модели, тем более глубоки знания учащихся о строении органических веществ. У школьников повышается теоретический уровень знаний по курсу органической химии, возрастает абстрактная мыслительная деятельность, расширяется объём и углубляется содержание формируемого понятия, развиваются познавательные способности, самостоятельность.

В процессе моделирования у учителя появляется возможность поддержать инициативу своих учеников, стимулировать их к творчеству в познавательной деятельности, которая носит частично-поисковый, поисковый, проблемный и даже исследовательский характер. Поведение учителя заключается в умении поставить учебно-познавательные проблемы так, чтобы вызвать интерес к размышлению, анализу и сравнению известных фактов, событий, явлений; в стимулировании к поиску новых знаний и нестандартных способов решения задач; в поддержке ученика на пути к самостоятельным обобщениям и выводам. Метод моделирования эффективно развивает образное мышление ученика, эмоционально-нравственную сферу его личности, стимулирует к саморефлексии и самопознанию, самораскрытию творческих способностей и ценностного отношения к миру; учит эмоциональному и диалогическому стилю общения с человеком, сотрудничеству и взаимоуважению, признанию его самоценности.

Источник

§ 3. Моделирование

Кроме наблюдения и эксперимента, в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование.

Мы уже говорили о том, что одна из главных целей наблюдения — поиск закономерностей в результатах экспериментов.

Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т. е. моделей (от лат. modulus — мера, образец). В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта.

Например, для того чтобы изучить природное явление молнию, ученым не нужно было дожидаться грозы. Молнию можно смоделировать на уроке физики и в школьной лаборатории. Двум металлическим шарикам нужно сообщить противоположные электрические заряды: положительный и отрицательный. При сближении шариков до определенного расстояния между ними проскакивает искра — это и есть молния в миниатюре. Чем больше заряд на шариках, тем раньше при сближении проскакивает искра, тем длиннее искусственная молния. Такую молнию получают с помощью специального прибора, который называется электрофорной машиной (рис. 33).

Рис. 33.
Электрофорная машина

Изучение модели позволило ученым определить, что природная молния — это гигантский электрический разряд между двумя грозовыми облаками или между облаками и землей. Однако настоящий ученый стремится найти практическое применение каждому изучаемому явлению. Чем мощнее электрическая молния, тем выше ее температура. А ведь превращение электрической энергии в теплоту можно использовать, например, для сварки и резки металлов. Так появился знакомый сегодня каждому учащемуся процесс электросварки (рис. 34).

Рис. 34.
Природное явление молнию можно смоделировать в лаборатории

Моделирование в физике используется особенно широко. На уроках по этому предмету вы будете знакомиться с самыми разными моделями, которые помогут вам изучить электрические и магнитные явления, закономерности движения тел, оптические явления.

Каждая естественная наука использует свои модели, которые помогают зримо представить себе реальное природное явление или объект.

Самая известная географическая модель — глобус (рис. 35, а) — миниатюрное объемное изображение нашей планеты, с помощью которого вы можете изучать расположение материков и океанов, стран и континентов, гор и морей. Если же изображение земной поверхности нанести на плоский лист бумаги, то такая модель называется географической картой (рис. 35, б).

Широко используются модели при изучении биологии. Достаточно упомянуть, например, модели — муляжи органов человека и т. д. (рис. 36).

Не менее важно моделирование и в химии. Условно химические модели можно разделить на две группы: предметные и знаковые, или символьные (схема 1).

Предметные модели атомов, молекул, кристаллов, химических промышленных установок используют для большей наглядности.

Вы, наверное, видели изображение модели атома, напоминающее строение Солнечной системы (рис. 37).

Рис. 37.
Модель строения атома

Для моделирования молекул химических веществ используют шаростержневые или объемные модели. Их собирают из шариков, символизирующих отдельные атомы. Различие состоит в том, что в шаростержневых моделях атомы-шарики расположены друг от друга на некотором расстоянии и скреплены друг с другом стерженьками. Например, шаростержневая и объемная модели молекул воды показаны на рисунке 38.

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии (рис. 39).

Рис. 39.
Модель кристалла меди

Однако чаще всего химики пользуются не предметными, а знаковыми, или символьными, моделями. Это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций.

Изучение химического языка знаков и формул вы начнете уже на следующем уроке.

Источник

Метод моделирования в химии

«История и философия науки»

Метод моделирования в химии

Философские аспекты моделирования как метода познания окружающего мира

Гносеологическая специфика модели

Классификация моделей и виды моделирования

Моделирование в химии

Моделирование молекул, химических процессов и реакций

Моделирование (лат. modus – мера, образ, способ) издавна применялось в научном познании. Например, возникновение представлений Демокрита и Эпикура об атомах, их форме, и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, сцеп ленных между собой. Эти представления являются прообразами современных моделей, отражающих ядерно-электронное строение атома. В науке Нового времени первоначально применялись различные механические модели. Постепенно метод моделирования стал приобретать все большее распространение, проникая во все отрасли научного знания. XX век принес методу моделирования новые успехи, связанные с расцветом кибернетики.

Моделирование на современном этапе приобрело значение общенаучного метода. Его особенностью является то, что для изучения объекта используется опосредующее звено – объект-заместитель. Исходный объект исследования при моделировании называется оригиналом, объект-заместитель – моделью.

По мнению большинства выдающихся химиков, в том числе лауреата нобелевской премии Г. Сиборга, теоретическое моделирование является основным методом познания в химии. Сущность химических явлений скрыта от непосредственного наблюдения исследователя, поэтому познание осуществляют путем построения модели невидимого объекта по косвенным данным.

В данной работе рассматриваются гносеологические аспекты моделирования, классификация моделей и место моделирования в химической науке.

Философские аспекты моделирования как метода познания окружающего мира

Гносеологическая специфика модели

В настоящее время можно найти множество различных определений понятий «модель» и «моделирование». Рассмотрим некоторые из них.

Ещё одно определение «модели» приведено в учебнике [7, с. 482] : «Модель … представляет собой аналог того или иного фрагмента действительности (вещного или мыслительного) – оригинала модели».

▪ существенном сходстве объекта-посредника и оригинала;

▪ возможности эвристически плодотворного изучения объекта-посредника.

Модели не простые заместители объектов. Модели и связанные с ними представления являются продуктами сложной познавательной деятельности, включающей, прежде всего, мыслительную переработку исходного чувственного материала, его «очищение» от случайного и т.д. Модели выступают как продукты и как средство осуществления этой деятельности.

Важнейшей особенностью модели является ее сходство с оригиналом. Это соответствие модели и оригинала может быть пространственным или физическим, структурным или функциональным. Именно оно позволяет переносить данные, полученные при изучении модели, на оригинал, осуществляя таким образом «обратную связь». Другой основной принцип моделей – наглядность. Он позволяет мысленно воссоздать образ моделируемого объекта и его свойства [8].

Объект-оригинал может быть воспроизведен с помощью разных моделей. Достоинства той или иной модели в полной мере зависят от конкретной цели исследования, от принятого концептуального ракурса.

Классификация моделей и виды моделирования

Единая классификация видов моделирования затруднительна в силу уже показанной многозначности понятия «модель» в науке и технике. Её можно проводить по различным основаниям:

· по характеру моделей (т. е. по средствам моделирования);

· по характеру моделируемых объектов;

· по сферам приложения моделирования (моделирование в технике, в физических науках, в химии, моделирование процессов живого, моделирование психики и т. п.)

· по уровням («глубине») моделирования, начиная, например, с выделения в физике моделирования на микроуровне (моделирование на уровнях исследования, касающихся элементарных частиц, атомов, молекул).

В связи с этим любая классификация методов моделирования обречена на неполноту, тем более, что терминология в этой области опирается не столько на «строгие» правила, сколько на языковые, научные и практические традиции, а ещё чаще определяется в рамках конкретного контекста и вне его никакого стандартного значения не имеет.

Наиболее известной является классификация по характеру моделей. Согласно ей различают следующие пять видов моделирования [3] :

1. Предметное моделирование, при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, модель крыла самолета и т.д.

2. Аналоговое моделирование, при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений.

3. Знаковое моделирование, при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.

4. Со знаковым тесно связано мысленное моделирование, при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. Примером может в данном случае служить модель атома, предложенная в свое время Бором.

5. Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента. Этот вид моделирования свидетельствует о том, что нет жесткой грани между методами эмпирического и теоретического познания.

Предметным называется моделирование, в ходе которого исследование ведётся на модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики «оригинала». На таких моделях изучаются процессы, происходящие в оригинале — объекте исследования или разработки (изучение на моделях свойств строительных конструкций, различных механизмов, транспортных средств и т. п.). Если модель и моделируемый объект имеют одну и ту же физическую природу, то говорят о физическом моделировании.

Явление (система, процесс) может исследоваться и путём опытного изучения какого-либо явления иной физической природы, но такого, что оно описывается теми же математическими соотношениями, что и моделируемое явление. Например, механические и электрические колебания описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями; поэтому с помощью механических колебаний можно моделировать электрические и наоборот. Такое «предметно-математическое» (аналоговое) моделирование широко применяется для замены изучения одних явлений изучением других явлений, более удобных для лабораторного исследования, в частности потому, что они допускают измерение неизвестных величин. Так, электрическое моделирование позволяет изучать на электрических моделях механические, гидродинамические, акустические и другие явления. Электрическое моделирование лежит в основе аналоговых вычислительных машин (сейчас, правда, практически не использующихся)

При знаковом моделировании моделями служат знаковые образования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, графы, слова и предложения в некотором алфавите (естественного или искусственного языка)

Действия со знаками всегда в той или иной мере связаны с пониманием знаковых образований и их преобразований: формулы, математические уравнения и прочие выражения применяемого при построении модели научного языка определенным образом интерпретируются (истолковываются) в понятиях той предметной области, к которой относится оригинал. Поэтому реальное построение знаковых моделей или их фрагментов может заменяться мысленно-наглядным представлением знаков и операций над ними. Эту разновидность знакового моделирования иногда называется мысленным моделированием. Впрочем, этот термин часто применяют для обозначения «интуитивного» моделирования, не использующего никаких чётко фиксированных знаковых систем, а протекающего на уровне «модельных представлений». Такое моделирование есть непременное условие любого познавательного процесса на его начальной стадии.

Таким образом, можно прежде всего различать «материальное» (предметное) и «идеальное» моделирование; первое можно трактовать как «экспериментальное», второе — как «теоретическое» моделирование, хотя такое противопоставление, конечно, весьма условно не только в силу взаимосвязи и обоюдного влияния этих видов моделирования, но и наличия таких «гибридных» форм, как «мысленный эксперимент». «Материальное» моделирование подразделяется, как было сказано выше, на физическое и предметно-математическое моделирование, а частным случаем последнего является аналоговое моделирование. Далее, «идеальное» моделирование может происходить как на уровне самых общих, быть может даже не до конца осознанных и фиксированных, «модельных представлений», так и на уровне достаточно детализированных знаковых систем; в первом случае говорят о мысленном (интуитивном) моделировании, во втором — о знаковом моделировании (важнейший и наиболее распространённый вид его — логико-математическое моделирование). Наконец, моделирование на ЭВМ (часто именуемое «компьютерным») является «предметно-математическим по форме, знаковым по содержанию» [1].

По характеру той стороны объекта, которая подвергается моделированию, уместно различать моделирование структуры объекта и моделирование его поведения (функционирования протекающих в нем процессов и т. п.). Это различение сугубо относительно для химии или физики, но оно приобретает чёткий смысл в науках о жизни, где различение структуры и функции систем живого принадлежит к числу фундаментальных методологических принципов исследования, и в кибернетике, делающей акцент на моделирование функционирования изучаемых систем.

Схожая классификация есть у Б.А. Глинского в его книге «Моделирование как метод научного исследования», где наряду с обычным делением моделей по способу их реализации, они делятся и по характеру воспроизведения сторон оригинала:

А.Н. Кочергин [2] предлагает рассматривать и такие классификационные признаки, как: природа моделируемых явлений, степень точности, объем отображаемых свойств и др. Но, следует признать, что данные признаки не являются существенными, потому подобные классификации выглядят несколько искусственно.

Процесс как теоретического, так и экспериментального моделирования состоит из следующих шагов:

1. Построение модели.

3. Экстраполяция – перенос полученных данных на область знаний об исходном объекте.

На первом этапе, при осознании невозможности или нецелесообразности прямого изучения объекта, создается его модель. Целью этого этапа является создание условий для полноценного замещения оригинала объектом-посредником, воспроизводящим его необходимые параметры.

На втором этапе производится изучение самой модели – настолько детальное, насколько это требуется для решения конкретной познавательной задачи. Здесь исследователь может вести наблюдения за поведением модели, проводить над ней эксперименты, измерять или описывать ее характеристики – в зависимости от специфики самой модели и от исходной познавательной задачи. Цель второго этапа – получение требуемой информации о модели.

Третий этап (экстраполяционный) представляет собой «возвращение» к исходному объекту, т.е. интерпретацию полученных знаний о модели, оценку их приемлемости и, соответственно, приложение их к оригиналу, позволяющее в случае успеха решить исходную познавательную задачу.

Эти шаги реализуют своеобразный цикл моделирования, в ходе которого модель и оригинал соотносятся друг с другом (рис.1).

Рис. 1. Этапы моделирования

Моделирование в химии

Моделирование молекул, химических процессов и реакций

Материальное (экспериментальное) моделирование широко используется в химии для познания и изучения строения веществ и особенностей протекания химических реакций, для выявления оптимальных условий химико-технологических процессов и др.

В биохимии и фармакологии моделирование играет очень большую роль. Прогресс фармакологии характеризуется непрерывным поиском и созданием новых, более совершенных препаратов. В последние годы при создании новых препаратов за основу берется не биологически активное вещество, как это делалось ранее, а субстрат, с которым оно взаимодействует (рецептор, фермент и т.п.). Для таких исследований необходимы максимально подробные данные о трехмерной структуре тех макромолекул, которые являются основной мишенью для препарата. В настоящее время имеется банк таких данных, включающих значительное число ферментов и нуклеиновых кислот. Прогрессу в этом направлении способствовал ряд факторов. Прежде всего, был усовершенствован рентгеноструктурный анализ, а также разработана спектроскопия, основанная на ядерно-магнитном резонансе. Последний метод открыл принципиально новые возможности, так как он позволил устанавливать трехмерную структуру веществ в растворе, т.е. в некристаллическом состоянии. Существенным моментом явилось и то, что с помощью генной инженерии удалось получить достаточное количество субстратов для подробного химического и физико-химического исследования.

Используя имеющиеся данные о свойствах многих макромолекул, удается с помощью компьютеров моделировать их структуру. Это дает четкое представление о геометрии не только всей молекулы, но и ее активных центров, взаимодействующих с лигандами. Исследуются особенности топографии поверхности субстрата, характер его структурных элементов и возможные виды межатомного взаимодействия с эндогенными веществами или ксенобиотиками. С другой стороны, компьютерное моделирование молекул, использование графических систем и соответствующих статистических методов, позволяет составить достаточно полное представление о трехмерной структуре фармакологических веществ и распределении их электронных полей. Такая суммарная информация о физиологически активных веществах и субстрате должна способствовать эффективному конструированию потенциальных лигандов с высокими комплиментарностью и аффинитетом. До сих пор о таких возможностях можно было только мечтать — сейчас они становятся реальностью.

Компьютерное моделирование молекул основывается на многочисленных приближениях и допущениях. Так, предполагается, что энергия молекул определяется только координатами их атомов в пространстве. Но в реальности молекулы не являются неподвижными, а энергетические расчёты на компьютере проводятся на статических молекулах. Сейчас разрабатываются методы молекулярной динамики, которые позволяют учитывать тепловое движение молекул, но до сих пор нет подходов, которые бы достоверно учитывали энтропийную составляющую энергии. К тому же в разумные сроки можно рассчитать время жизни системы порядка нескольких пикосекунд.

Большие сложности представляет изучение трёхмерной структуры белков. На сегодняшний день нет методов, которые могли бы точно предсказать трёхмерную структуру белка на основе его аминокислотной последовательности. Хотя используется метод аналогий, когда предполагается, что идентичные аминокислотные участки разных белков укладываются аналогичным образом. Экспериментальное же получение трёхмерных изображений сопряжено с множеством трудностей: для проведения рентгеноструктурного анализа требуется кристаллизация белка (что возможно только для растворимых белков), а возможности ядерного магнитного резонанса ограничиваются молекулярным размером белков.

Роль молекулярного моделирования, как для фундаментальных, так и для прикладных исследований в области молекулярной биологии и биохимии неуклонно растёт. Это связано и с совершенствованием математического аппарата, и с ростом производительности вычислительной техники, и накоплением огромного количества фактического материала, требующего анализа.

Моделирование химических реакторов применяется для предсказания результатов протекания химико-технологических процессов при заданных условиях в аппаратах любого размера. Попытки осуществить масштабный переход от реактора малого размера к промышленному реактору при помощи физического моделирования оказались безуспешными из-за несовместимости условий подобия химических и физических составляющих процесса (влияние физических факторов на скорость химического превращения в реакторах разного размера существенно различно). Поэтому для масштабного перехода преимущественно использовались эмпирические методы: процессы исследовались в последовательно увеличивающихся реакторах (лабораторная, укрупнённая, опытная, полупромышленная установки, промышленный реактор).

Исследовать реактор в целом и осуществить масштабный переход позволило математическое моделирование. Процесс в реакторе складывается из большого числа химических и физических взаимодействий на различных структурных уровнях — молекула, макрообласть, элемент реактора, реактор. В соответствии со структурными уровнями процесса строится многоступенчатая математическая модель реактора. Первому уровню (собственно химическому превращению) соответствует кинетическая модель, уравнения которой описывают зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления во всей области их изменений, охватывающей практические условия проведения процесса. Характер следующих структурных уровней зависит от типа реактора. Например, для реактора с неподвижным слоем катализатора второй уровень — процесс, протекающий на одном зерне катализатора, когда существенны перенос вещества и перенос тепла в пористом зерне. Каждый последующий структурный уровень включает все предыдущие как составные части, например математическое описание процесса на одном зерне катализатора включает как уравнения переноса, так и кинетические. Модель третьего уровня включает, кроме того, уравнения переноса вещества, тепла и импульса в слое катализатора и т. д. Модели реакторов других типов (с псевдосжиженным слоем, колонного типа с суспендированным катализатором и др.) также имеют иерархическую структуру.

С помощью математического моделирования выбираются оптимальные условия проведения процесса, определяются необходимое количество катализатора, размеры и форма реактора, параметрическая чувствительность процесса к начальным и краевым условиям, переходные режимы, а также исследуется устойчивость процесса. В ряде случаев сначала проводится теоретическая оптимизация — определяются оптимальные условия, при которых выход полезного продукта наибольший, независимо от того, смогут ли они быть осуществлены, а затем, на втором этапе, выбирается инженерное решение, позволяющее наилучшим образом приблизиться к теоретическому оптимальному режиму с учётом экономических и других показателей. Для осуществления найденных режимов и нормальной работы реактора необходимо обеспечить равномерное распределение реакционной смеси по сечению реактора и полноту смешения потоков, различающихся составом и температурой. Эти задачи решаются физическим (аэрогидродинамическим) моделированием выбранной конструкции реактора.

Для исследования различных практических и теоретических задач, связанных с фазовыми и химическими превращениями, необходимо глубокое и детальное исследование физико-химической сущности процесса, выявление закономерностей протекающих при этом фазовых и химических превращений, влияния на них и на выход продукта параметров состояния (температуры, давления, состава реакционной смеси и др.).

Сложность большинства реальных физико-химических процессов не позволяет решить описанные проблемы исключительно экспериментальным путем. Анализ возможных подходов показывает эффективность привлечения современных теорий и методов физико-химического и математического моделирования и расчета с использованием термодинамических представлений. C помощью данных методов можно проводить детальное исследование фазовых и химических превращений.

Роль теоретического моделирования в развитии химической науки особенно значима, так как мир атомов и молекул скрыт от непосредственного наблюдения исследователя. Поэтому познание осуществляется путем построения моделей невидимых объектов по косвенным данным.

Рис. 2. Построение и изменение моделей

Процесс теоретического моделирования, как уже было сказано выше, осуществляется поэтапно: построение модели, изучение модели и экстраполяция. На каждом этапе можно выделить определенные действия, необходимые для его осуществления (рис 2). Модели могут дополняться, изменяться и даже заменяться новыми моделями. Такие процессы происходят, если исследователи сталкиваются с новыми фактами, противоречащими построенной модели. Новая модель – результат переосмысления противоречий старой модели и вновь полученных данных.

Рассмотрим специфику процесса познания при теоретическом моделировании.

Идеальное моделирование является одним из методов теоретического познания. Таким образом, такие структурные компоненты теоретического знания, как проблема, гипотеза и теория, должны составлять основу теоретического моделирования.

В. Гейзенберг отмечал, что при постановке и решении научных проблем необходимо следующее: а) определенная система понятий, с помощью которых исследователь будет фиксировать те или иные феномены; б) система методов, избираемая с учетом целей исследования и характера решаемых проблем; в) опора на научные традиции, поскольку, по мнению Гейзенберга, «в деле выбора проблемы традиция, ход исторического развития играют существенную роль», хотя, конечно, определенное значение имеют интересы и наклонности самого ученого.

Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации (выступающей в виде противоположных позиций), которая требует соответствующего разрешения. Определяющее влияние на способ постановки и решения проблемы имеют, во-первых, характер мышления той эпохи, в которую формулируется проблема, и, во-вторых, уровень знания о тех объектах, которых касается возникшая проблема. Каждой исторической эпохе свойственны свои характерные формы проблемных ситуаций.

Так, например, выдвинутая Планком квантовая гипотеза после проверки стала научной теорией, а гипотезы о существовании «теплорода», «флогистона», «эфира» и др., не найдя подтверждения, были опровергнуты, перешли в заблуждения. Стадию гипотезы прошел и открытый Д.И. Менделеевым периодический закон.

Таким образом, гипотеза может существовать лишь до тех пор, пока не противоречит достоверным фактам опыта, в противном случае она становится просто фикцией. Она проверяется (верифицируется) соответствующими опытными фактами (в особенности экспериментом), получая характер истины. Гипотеза является плодотворной, если может привести к новым знаниям и новым методам познания, к объяснению широкого круга явлений.

Гипотеза как метод развития научно-теоретического знания в своем применении проходит следующие основные этапы.

1. Попытка объяснить изучаемое явление на основе известных фактов и уже имеющихся в науке законов и теорий. Если такая попытка не удается, то делается дальнейший шаг.

2. Выдвижение догадки, предположения о причинах и закономерностях данного явления, его свойств, связей и отношений, о его возникновении и развитии и т.п. На этом этапе познания выдвинутое положение представляет собой вероятное знание, еще не доказанное логически и не настолько подтвержденное опытом, чтобы считаться достоверным. Чаще всего выдвигается несколько предположений для объяснения одного и того же явления.

3. Оценка основательности, эффективности выдвинутых предположений и отбор из их множества наиболее вероятного на основе указанных свыше условий обоснованности гипотезы.

4. Развертывание выдвинутого предположения в целостную систему знания и дедуктивное выведение из него следствий с целью их последующей эмпирической проверки.

5. Опытная, экспериментальная проверка выдвинутых из гипотезы следствий. В результате этой проверки гипотеза либо «переходит в ранг» научной теории, или опровергается, «сходит с научной сцены». Однако следует иметь в виду, что эмпирическое подтверждение следствий из гипотезы не гарантирует в полной мере ее истинности, а опровержение одного из следствий не свидетельствует однозначно о ее ложности в целом. Эта ситуация особенно характерна для научных революций, когда происходит коренная ломка фундаментальных концепций и методов и возникают принципиально новые идеи.

Таким образом, решающей проверкой истинности гипотезы является в конечном счете практика во всех своих формах, но определенную (вспомогательную) роль в доказательстве или опровержении гипотетического знания играет и логический (теоретический) критерий истины. Проверенная и доказанная гипотеза переходит в разряд достоверных истин, становится научной теорией.

Моделирование глубоко проникает в теоретическое мышление. Более того, развитие любой науки, в том числе и химии, можно трактовать — в весьма общем, но вполне разумном смысле, — как «теоретическое моделирование». Важная познавательная функция моделирования состоит в том, чтобы служить импульсом, источником новых теорий. Нередко бывает так, что теория первоначально возникает в виде модели, дающей приближенное, упрощенное объяснение явления, и выступает как первичная рабочая гипотеза, которая может перерасти в «предтеорию» — предшественницу развитой теории. При этом в процессе моделирования возникают новые идеи и формы эксперимента, происходит открытие ранее неизвестных фактов. Такое «переплетение» теоретического и экспериментального моделирования особенно характерно для развития физических теорий (например, молекулярно-кинетической или теории ядерных сил). Моделирование — не только одно из средств отображения явлений и процессов реального мира, но и объективный практический критерий проверки истинности наших знаний, осуществляемой непосредственно или с помощью установления их отношения к другой теории, выступающей в качестве модели, адекватность которой считается практически обоснованной. Применяясь в органическом единстве с другими методами познания, моделирование выступает как процесс углубления познания, его движения от относительно бедных информацией моделей к моделям более содержательным, полнее раскрывающим сущность исследуемых явлений действительности.

Для развития химической науки важную роль играет не только теоретическое, но и экспериментальное моделирование химических процессов, позволяющее изучать сложные химико-технологические процессы, подбирать оптимальные условия их протекания, рассчитывать состав и выход продуктов реакций.

5. В.В. Давыдов, А.У. Варданян. Учебная деятельность и моделирование. – Ер.: Луйс, 1981.

6. Клаус Г.. Кибернетика и философия. М.: И.Л., 1963, с. 262.

7. Философия: Учебное пособие для высших учебных заведений. – Ростов н/Д.: Феникс, 2002.

8. Химия: методика преподавания, №4, 2003, с. 10-13.

9. Штофф В.А. Моделирование и философия. – М.: Наука, 1966.

10. Ушаков Е.В. Введение в философию и методологию науки: учебник / Е.В.Ушаков. – М.: КНОРУС, 2008, с. 149 – 163.

11. Фролов М.Т. Гносеологические проблемы моделирования. – М.: Наука, 1961.

12. Тумаркин А. «Философские аспекты моделирования как метода познания окружающего мира. Применение моделирования в различных отраслях человеческого знания и деятельности», 1994.

13. Алексеев П.В., Панин А.В. Теория познания и диалектика. М., 1991.

14. Экспеpимент. Модель. Теоpия. М.— Беpлин, Наука, 1982.

Источник