Atomic orbitals and their representation: Can 3-D computer graphics help on conceptual understanding?

Abstract

Quantum mechanics is a non-intuitive subject. For example, the concept of orbital seems too difficult to be mastered by students who are starting to study it. Various investigations have been done on student's difficulties in understanding basic quantum mechanics. Nevertheless, there are few attempts at probing how student's understanding is influenced by appropriate visualization techniques, which are known to help conceptual understanding. ''Virtual Water'' is a 3-D virtual environment we have designed and built to support the learning of Physics and Chemistry at final high school and first-year university levels. It focuses on the microscopic structure of water and explores, among others, atomic and molecular orbitals. Having asked a group of first-year students of Sciences and Engineering courses at the University of Coimbra, Portugal, to describe how they conceive electrons in atoms we found some common misconceptions. We have tried, with partial success, to overcome them by making students explore our virtual environment. The most relevant characteristics of the virtual environment which contributed to student's conceptual understanding were 3-D perception and navigation

A mecânica quântica é uma teoria que escapa à intuição. O conceito de orbital é um bom exemplo disso, sendo normalmente muito difícil de ser dominado pelos alunos que o abordam pela primeira vez. Foram já realizados vários estudos que incidem nas dificuldades que os alunos têm na compreensão da mecânica quântica ao nível introdutório. Contudo, poucos trabalhos trataram a influência de técnicas avançadas de visualização, geralmente reconhecidas como bastante úteis, na compreensão conceptual dos alunos. ''Água Virtual'' é um ambiente virtual 3-D que foi desenvolvemos com o propósito de apoiar o ensino e a aprendizagem de conceitos de Física e de Química a alunos dos anos terminais do ensino secundário e do primeiro ano da universidade. O programa centra-se na estrutura microscópica da água e explora conceitos relacionados com orbitais atómicas e moleculares. Utilizando aquele programa com uma amostra de alunos do primeiro ano dos cursos de Ciências e de Engenharia da Universidade de Coimbra, em Portugal, detectámos algumas concepções erróneas dos alunos sobre os electrões nos átomos. Com a ajuda do programa ''Água Virtual'' foi possível, com algum sucesso, ultrapassar algumas das dificuldades encontradas. As características mais relevantes do ambiente virtual que contribuíram para tal foram a percepção 3-D e a navegação pelo ambiente