XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Сегодня мир не стоит на месте. Каждый день приносит новые открытия. Получение новых знаний напрямую связано с внедрением в нашу жизнь компьютерных технологий. То, что раньше приходилось просчитывать не один год, сегодня машины делают за секунды. Этим возможности современных научно-технических технологий не ограничиваются. Все чаще в последнее время поднимается вопрос об актуальности использования в образовании компьютерных программ, искусственного интеллекта т.д.. И на это есть основание.
В каждом предмете существуют темы сложные для понимания школьников. Особенно это связано с явлениями, которые невозможно увидеть. К таким наукам относится химия. Каждая тема представляет собой обращение к абстрактному и требует хороших и прочных знаний. Прочными знания становятся тогда, когда учащиеся представляют и понимают изучаемое явление.
Выбор нашей темы не является случайным. Строение атома, расположение в нем электронов - достаточно сложно представить школьнику. Именно данный материал является проводником в более сложные темы: свойства элементов периодической системы Д.Менделеева, понимание сущности взаимодействия веществ и т.д.
3D-моделирование поможет обучающемуся разобраться в строении атома, распределении электронов на энергетических облаках и выведет получение знаний на новый уровень. Изучение теории станет более доступным и интересным. Разработанные модели разнообразят урок и в тоже время сделают тему намного легче для усвоения. Знания, полученные на основе наших моделей, будут способствовать формированию у школьников интереса не только к данной теме, но ко всей дисциплине.
Тема «Изучение строения атома и энергетических уровней» изучается на дисциплине «Химия» в 8 классе.
Объект: 3D моделирование в изучении курса химии.
Предмет: изучение строения атома при помощи 3D моделей, разработанных в компьютерной программе Blеnder.
Цель проекта: при помощи 3D технологии создать модели, которые облегчат понимание темы «Строение атома, энергетические уровни».
Задачи:
1. Дать теоретические сведения о компьютерном моделировании в химии.
2. Изучить наиболее известные программы для 3D моделирования.
3. Разработать и реализовать модели строения атома и энергетических уровней.
4. Подготовить видеоролик.
Гипотеза: изучение строения атома будет гораздо эффективнее при использовании компьютерных 3D моделей, так как последние делают сведения о процессах, происходящих в атоме, наглядными, а, следовательно, более понятными.
Этапы исследования:
1. Изучение информационных источников по теме исследования;
2. Моделирование в программе Blender 3.0.1
3. Оформление результатов
4. Создание видеоролика.
Методы исследования: анализ, синтез, моделирование.
Теоретическая значимость. Была изучена история компьютерного моделирования, программы для 3D моделирования, проанализированы модели строения частицы разных авторов, была создана модель атома с движущимися электронами.
Практическая значимость. Материал, представленный в работе, можно использовать на занятиях по химии при изучении строения атома; разработанные 3D модели помогут лучше разобраться в теме, сформируют интерес к химии и информатике.
Глава 1. Становление и развитие компьютерного моделирования
Химия одна из самых интересных, но достаточно сложных наук. Предмет ее изучения - вещества, их свойства и превращения. Сложность получаемых знаний заключается в том, что естественная наука изучает явления, которые происходят на атомно-молекулярном уровне. Современное техническое обеспечение позволяет изучать превращения даже отдельных молекул. В основе научного знания лежат такие теории как: атомно-молекулярная, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии, периодический закон Д.И. Менделеева. Сегодня химия тесно связана с другими науками и активно использует их достижения.
В современном мире все большое значение приобретают новые технологии. Они помогают теоретически понять, осознать и прогнозировать научные знания. Лидером по использованию сегодня является моделирование.
Моделирование - как форма отражения действительности относится к античности. Но значительно расширилось его применение в эпоху Возрождения. Первоначально это были модели проектируемых сооружений, но Леонардо да Винчи уже пытается проводить опыты с использованием моделей. [4]
Активно моделирование стало использоваться с момента появления точных наук. Второй этап возрождения интереса у ученых к данному методу относится к концу 40-х - начало 50-х годов XX вв. Причиной стало появление компьютеров, второй - выполнение национальных программ СССР и США по созданию ракетно-ядерного щита. Сегодня моделирование вступает в третий этап своего развития, находя применение во всех сферах нашей жизни. [2]
Сегодня «моделирование - это исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений»[4] То есть это перенос теоретических знаний, которые были получены путем изучения сначала на модель, а затем и на сам объект. При воспроизведении копии объекта в данном случае есть возможность отобразить только значимые для исследования черты.
Современное моделирование содержит два направления: «материальное» (предметное), представляется как экспериментальное и «идеальное» моделирование - теоретическое. В свою очередь «материальное» моделирование бывает физическим или предметно-математическим. Второе направление опирается на самые общие знания о модели, которые даже могут до конца быть не осознаны.
Современное моделирование перешло на новую ступень в развитии при появлении специализированных компьютерных программ. Данное направление получило название «кибернетическим». В себе оно несет черты предметно-математического по форме и в тоже время является идеальным по содержанию. Эксперимент проводится в данном случае на модели, которая является промежуточным звеном.
В «Модельном эксперименте» участвуют объекты, над которыми сложно проводить манипуляции, так как экономически не выгодно или вообще невозможно. Объект представляет собой абстрактное явление или предмет.
Понятие «компьютерное моделирование» в сфере информационных технологий относительно ново и связано со становлением и выделением относительно традиционного моделирования с помощью компьютера (последнее - это, как правило, функционально-ориентированные автоматизированные системы поддержки математического и других видов моделирования, реализуемые обычно в виде систем библиотечного типа) двух современных видов компьютерного моделирования: структурно-функционального и имитационного. Компьютерное моделирование - эффективный метод решения задач анализа и синтеза сложных систем. Методологической основой компьютерного моделирования является системный анализ (в то время как у моделирования на компьютере - те или иные разделы теории математических моделей), именно поэтому в ряде источников наряду с термином «компьютерное» используется термин «системное моделирование», а саму технологию системного моделирования призваны осваивать системные аналитики.
Корни компьютерного моделирования уходят в далекую древность. Проделав большой путь в своем развитии, данные технологии не перестают быть инновационными и далеко не исчерпали свои возможности в современном мире. В связи с этим, обращение к ним в разных областях нашей жизни будет только возрастать.
Глава 2. Программы для 3Dмоделирования
Сегодня среди инновационных технологий все чаще происходит обращение к компьютерному 3D моделированию. Существует большое количество программ, позволяющих создавать объемные модели. В основе работы, данных приложений лежит процесс создания геометрической проекции, путем описания ее координат в пространстве, имеющим три однородных измерения: высоту, длину, ширину, которые задаются в трех плоскостях: X, Y, Z. Первая программа по 3D моделированию была создана американским ученым Айвеном Сазерленом в 1963 году – Sketchpad и была основана на совмещении ребер, вершин и граней, то есть полигональной сетки. Сегодня в основе всех 3D программ лежит иной принцип, а именно метод «троассировки» луча. В основе его лежит отслеживание обратного хода луча, который попадает в камеру.
Первая автоматизированная система проектирования была разработана в 1977 году для проектирования металлоконструкций. Сегодня применение автоматизированной системы проектирования позволяет разрабатывать модели любой сложности, производить различные расчеты, а использование математических моделей позволяет делать расчеты точно, быстро и наименьшими затратами. [3, стр. 7-15]
С каждым годом появляются новые программные продукты. Среди них значительный объем программ посвящено для создания моделей в 3D-графике. Как правило, каждая из программы имеет понятный интерфейс, бесплатный или недорогой доступ. Условно все программы можно разделить на группы: программные продукты для новичков, для продвинутых пользователей и для профессионалов. К первой категории относятся: Wings 3D, TinkerCAD, Zbrush.
Wings 3D. Из положительных моментов необходимо отметить маленький объем программы, поддержка большинства известных форматов, возможность выполнения векторных построений. Однако к отрицательным сторонам можно отнести отсутствие русскоязычной версии, неудобный интерфейс, отсутствие возможности рендерить изображение, а так же Wings 3D не поддерживает анимацию.
TinkerCAD. Очень легкая, яркая, доступная в освоении программа, которую может освоить даже ребенок. Есть возможность подготовки модели к печати на 3D-принтере. Здесь можно найти большое количество интересных шаблонов, можно загружать готовые проекты, есть командный доступ, но в тоже время автономно данная программа не работает, нет возможности закруглять грани, сложные модели проработать практически невозможно. Модели, сделанные в TinkerCAD, не обладают реалистичностью.
Zbrush. Обладает не традиционным вариантом рендеринга за счет совмещения 2D и 3D-рисования. Все манипуляции происходят на пиксельном холсте. Эти точки – пиксели обладают дополнительными свойствами: глубину, пространственную ориентацию и свойства материала. Однако, несмотря на то, что программа адресована новичкам, для получения реалистичных объектов необходим навык лепки, знание анатомии. Еще один отрицательный момент необходимо отметить: программа работает не очень стабильно, бесплатным является только пробный период.
Paint 3D. Еще один графический редактор, в котором присутствуют все необходимые инструменты для создания простых форм, есть дополнительные библиотеки. Однако 3D-объекты создавать в Paint 3D очень сложно, поэтому здесь лучше моделировать сцены дополнительной реальности. Программа входит в стандартный пакет программного обеспечения для Windows. Но как всегда в штатных программах слишком много ограничений.
В следующей группе находятся программы для продвинутых пользователей. Важным условием для успешной работы с ними: является наличие опыта работы с пространственными моделями, знание основ 3D-моделирования. Здесь уже можно проектировать свои более сложные не шаблонные проекты. Интерфейс у таких программ достаточно прост, но панели представленных инструментов значительно разнообразнее первой группы. Как правило, все программы платные, стоимость бюджетная, есть тестовый период. Наиболее популярные программы: SketchUp, Blender.
SketchUp.В основе программы лежит метод преобразование плоских фигур при помощи вытягивания, вдавливания. Большое значение уделяется прорисовке внутреннего пространства. Но как обычно в тестовой версии большое количество ограничений и неактивных инструментов. Программа достаточно сложная и отсутствие горячих клавиш делает ее не очень удобной.
Blender. Самый важный плюс программы – бесплатная лицензия и доступность русифицированной версии. [3, стр. 5-15] Программа достаточно универсальна и востребована в инженерной отрасли. Она позволяет готовить модели как для 3D-печати, так и для разработки анимаций и локаций для игр. Поддерживает все необходимые инструменты для разработки с нуля — от моделирования и скульптинга до симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео. Есть режим модификации, помогающий быстро изменить параметры предмета, есть возможность расширить банк текстур. По сравнению с другими программами данный софт обладает высокой скоростью. Но, к сожалению, часто в приложении случаются сбои. Еще одним отрицательным моментом является отсутствие технической поддержки.
Программ, поддерживающих 3D моделирование, большое количество. В данном разделе представлены самые известные и часто используемые.
Глава 3. Практическая часть
При работе над проектом самым важным моментом было выбрать модели для создания их в 3D-версии. В процессе развития химии ученые разработали большое количество схем строения атома: «Кусочки материи» автор Демокрит, «Пудинг с изюмом» Дж.Томсон, «Ранняя планетарная модель» Нагаока, «Модель Бора», «Ядерная модель» Э.Резерфорда, «Квантово-механическая модель» Э.Шредингер.[1.стр. 120] Полученная информация была проанализированы с двух позиций:
1) наглядность, понятность, логичность с позиции материала, представленного в уроке;
2) возможность изобразить ее в 3D-графике.
Нами было решено смоделировать «Орбитальную модель» Г.Уайта, так как она лучше всех демонстрирует взаимоотношение ядра, электронов и энергетических облаков. Для примера мы взяли самый используемый элемент - кислород (О2). Для большей наглядности, построив модель, добавили движение электронов и сделали видеозапись. (См. Модель 1).
Все выше перечисленное было разработано в Blander версия 3.0.1. Создав новый проект, мы при помощи геометрических фигур создали сферу, которая являлась ядром атома. Затем добавили еще две сферы, которые представляли собой 1 s уровень и 2 s подуровень. Так как подуровень p 2 уровня тоже представлены в строении данного элемента, а его энергетическое облако имеет другое строение, не представленное в готовых геометрических фигурах, то для проектирования мы использовали модификатор "Переход", а так как на данном уровне их 6, то мы изменили количество путем копирования. Однако мы должны помнить, что у O2 2 pподуровень заполнен не полностью: существует только одна пара и 2 одиночных электрона, то и цвет сделанной фигуры «гантель» мы изменили за счет материала: темнее электронное облако, представленное двумя электронами, светлее – одним. Сложнее было создать вращение электронов. Для достижения необходимого эффекта, мы использовали "Кривую" в виде кольца и гантели. Траекторий в каждом объекте было две. Одну расположили вертикально по оси у, а вторая горизонтально по оси xс целью придания проекции объема. Создав необходимое количество сфер, которые будут выступать в качестве электронов, мы наложили на них ограничитель "Следовать по пути". В качестве пути были выбраны необходимые траектории. В данной программе очень удобная анимация, которую можно было сделать благодаря нажатию всего лишь одной кнопки - "Анимировать путь"
Модель 1.
Вторая модель – представляет собой энергетические облака разных подуровней. (См. Модель 2).
Модель 2.
Эта модель направлена на лучшее понимание, что электроны не движутся хаотично. А дальнейшее рассмотрение темы позволит понять, почему одним элементам легче отдавать, а другим принимать данные электроны. Именно здесь обучающемуся легче понять, что в облаке один электрон движется по часовой стрелке, а другой против, которые в графической формуле строения атома показано разнонаправленными стрелочками. При моделировании данных объектов применялась технология описанная ранее.
Третья и четвертые модели сделана в стиле планетарной. Третья модель является схематичной и не относится к какому-либо элементу. (См. Модель 3). Она дает понимание: как должны выглядеть завершенные уровни, позволяет понять, что такое уровень, что такое подуровень и сколько и где расположено электронов. Такой образ используется на уроках для перехода к графической записи. Это промежуточная модель позволяет окончательно разобраться с правилом описания электронной конфигурации атомов разных химических элементов. В плане моделирования над данным объектом был значительно проще работать. Из геометрических фигур использовались лишь сферы, были добавлены цифры и подписаны электроны. Надписи были подготовлены в компьютерной программе GIMP 2.10.32.
Модель 3.
Четвертая – модель O2 (См. Модель 4).По ней очень легко записать распределение электронов по энергетическим уровням. Для наглядности каждый уровень был окрашен в свой цвет и подписан.
Модель 4.
Для проверки гипотезы после изучения темы при помощи разработанных нами моделей был проведен опрос обучающихся. При ответе на вопрос: «Понравилось ли изучать тему при помощи 3D моделей?» - был получен единогласный положительный ответ. Обучающиеся указали на доступность представленного материала, высокую его наглядность. Отметили интересный и современный подход в объяснении темы. Для контроля полученных результатов нами были предложены обучающимся 3D-модели разных элементов первых трех периодов, которые нужно было соотнести с электронной формулой и с помощью периодической системы Д. Менделеева определить элемент.
Все справились с заданием, что дает нам основание считать гипотезу доказанной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сегодня, когда идет стремительное развитие новых технологий, образование для передачи знаний, отработки навыков и умений использует не всегда оптимальный способ обучения. Тем не менее, принцип наглядности во все времена являлся приоритетным при построении учебного процесса.
Химия – это одна из самых сложных, но очень интересных наук. Сложность ее заключается как раз в том, что она изучает мельчайшие частицы, которые невозможно разглядеть даже в микроскоп. В программах, предназначенных для 3D моделирования, есть все инструменты, чтобы визуализировать теорию, сделать ее более понятной, а значит и доступной для понимания и запоминания учащимися. Возможно, использование 3D моделирования переведет предмет Химию в самую интересную дисциплину и сделает ее более популярной.
Цель и задачи, поставленные в начале проекта, достигнуты, гипотеза доказана. Модели разработаны.
Список использованных источников и литературы
-
Мартынова, Т. В. Химия : учебник и практикум для вузов / Т. В. Мартынова, И. В. Артамонова, Е. Б. Годунов ; под общей редакцией Т. В. Мартыновой. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2024. — 368 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-09668-2. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. с. 1 — URL: https://urait.ru/bcode/536421/p.1 (дата обращения: 20.09.2024).
-
Педченко, Д.История развития компьютерного моделирования / Д. Педченко Текст : электронный -- URL: https://znanio.ru/media/istoriya-razvitiya-kompyuternogo-modelirovaniya-2817543/. - Дата публикации 26.09.2022 (дата обращения: 20.09.2024).
-
Серова М.Н. Учебник по графическому редактору Blender 3D. Моделирование и дизайн/. М.Н. Серова. – Москва : СОЛОН-Пресс, 2022.- 272 с. - ISBN 978- 5-91359-438-9. - Текст : непосредственный.
-
Страна моделирования : История моделирования [сайт]. – 2020.- URL:https://lisryaz.blogspot.com/p/blog-page_11.html (дата обращения: 24.09.2024). - Текст : электронный