סימטריה רציפה ומורים לכימיה: למידה של נושא מתקדם בעזרת טכנולוגיה יחודית ענבל טובי-ערד המחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה רון בלונדר המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן למדע

ויזואליזציה בהוראת המדעים מאפשרת הוראה של נושאים מתקדמים משפרת הבנה, מוטיבציה ויזואליזציה בהוראת המדעים יוצרת ייצוג גרפי של משוואות, נוסחאות ומושגים עוקפת מחסומים של מתמטיקה, ראיה מרחבית

סימטריה מולקולרית קשר כימי מבנה מרחבי של מולקולות תנאים לקיומן של ריאקציות (חימום, הקרנה) פעילות אופטית, כירליות כללי ברירה ספקטרוסקופיים

סימטריה מולקולרית פעולת סימטריה - העתקת אטומים במולקולה ממקומם באופן שיוצר סידור מרחבי חדש החופף את הסידור המקורי. דוגמאות: סיבוב סביב ציר, שיקוף במישור, היפוך ביחס לנקודה

סימטריה רציפה ההתייחסות הקלאסית לסימטריה היא של יש או אין. בטבע אין בהכרח סימטריה: מולקולות הן ישויות דינמיות סביבה כימית/פיסיקלית יוצרת עיוות התמרה יוצרת עיוות כדי להבדיל בין עיוות קטן לעיוות משמעותי יש להתייחס לסימטריה כאל גודל רציף לא סימטרי סימטרי

מדד הסימטריה הרציף P1 P2 P3 מדד הסימטריה הרציף: גודל מספרי המודד את המרחק בין מבנה נתון למבנה הקרוב אליו ביותר בעל הסימטריה הרצויה 0  S(G)  100 Q1 Q2 Q3 H. Zabrodsky et al, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 7843-7851 M. Pinsky et al, J. Comput. Chem., 2008, 29, 190-197.

סימטריה מולקולרית ברשת http://telem.openu.ac.il/symmetry

אתר מדדי סימטריה רציפים http://telem.openu.ac.il/symmetry/csm

המחקר מטרה: אוכלוסיה: מערך המחקר: התחקות אחר דרכי חשיבה בפתרון בעיות בסימטריה מולקולרית וסימטריה רציפה אוכלוסיה: 21 מורים לכימיה במסגרת השתלמות בנושא פיתוח חשיבה בכימיה מערך המחקר: סדנא בת 8 שעות המורכבת מהרצאות ותרגול מונחה מול מחשב תרגילים לפני הסדנא, ובזמן הסדנא ראיונות אישיים תוך כדי פתרון שאלות מול מחשב (בזוגות)

המבנה הקרוב ביותר בעל ציר סיבוב של 180 הוא משולש מישורי דוגמאות לשאלות האם לאמוניה יש ציר סיבוב של 180? המבנה הקרוב ביותר בעל ציר סיבוב של 180 הוא משולש מישורי אמוניה

דוגמאות לשאלות האם הסימטריה נשמרת במהלך ויברציה?

תוצאות שאלה ציון כולל סימטריה של מולקולת המים (N=12) סיבוב מסוג C2 12 (100%) שיקוף היפוך 7 (58%) מבנה משוער עם היפוך 10 (83%) סימטריה של מולקולת האמוניה (N=12) 9 (75%) 2 (17%)

תוצאות שאלה ציון כולל ויברציה סימטרית של XeOF4 (N=14) סיבוב מסוגC2 14 (100%) שיקוף הכללה 7 (50%) ויברציה אנטי-סימטרית של XeOF4 (N=14) סיבוב מסוג C2 9 (64%) 8 (57%)

ציטוטים "זה שיכולתי לראות ציר פתח עיניים." "סימטריה זה אחוז קטן מהזמן." "לימדתי רק צורות קבועות ולא דימיינתי איך המולקולות זזות." "הויברציות מתקשרות לתופעה של קיטוב רגעי, מה שמלמדים בבתי ספר. עכשיו אני מבינה מאיפה זה מגיע."

מסקנות הטכנולוגיה תומכת במודלים מנטליים: ויזואליזציה של החלקים הנסתרים בפתרון בעיות בסימטריה אפשרות לבדוק האם למולקולה יש סימטריה מסוימת הטכנולוגיה יוצרת פיגומים המקלים על תהליך הלמידה: השוואה ויזואלית בין מבנה מעוות למבנה סימטרי ייצוג מידע בדרכים שונות: קשר בין מבנה מעוות לבין ערך מספרי של מדד הסימטריה Kali Y. and Linn M. C. (2007) in: Spector J. M., Merrill M. D., Merriënboer J. J. G. V. and Driscoll M. P. (Eds) Handbook of Research on Educational Communications and Technology. 3rd ed. (Mahwah, NJ, Erlbaum), pp. 445-490.

מסקנות לימוד סימטריה תורם להבנה מעמיקה יותר של מבנה החומר ידע מתקדם יכול להשפיע על הבנה של נושאים בסיסיים יותר

תודות צוותי הפיתוח: האוניברסיטה הפתוחה - ד"ר דינה יוגב-עינות, דב גרמייז, ורד טובי-פישברג, אורי שפי, רועי שרוני, איתי הר-אבן, נדב פאר, ד"ר גלעד רביד, זאב פרל האוניברסיטה העברית - פרופ' דוד אבניר, ד"ר מארק פינסקי, חיים דריזון, שאדי להם, אמיר זית