Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектная и исследовательская деятельность школьников по биологии и химии. Монография
.pdf
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО ХИМИИ
Это способность от внешне наблюдаемых характеристик вещества и его
изменений переходить к рассмотрению его внутреннего строения и кодировать эту информацию при помощи химических знаков и символов (и
наоборот)» [23, с. 126].
Химическое мышление проявляется в языке, который исследователь
использует в своей деятельности. Например, названия многих химических веществ (берлинская лазурь, болонские светящие
камни, глауберова соль, чилийская селитра и др.) указывают на происхождение вещества, способ или место его получения, химические свойства. Признание
научных достижений ученых-химиков нашло отражение в названиях
химических приборов, процессов, элементов (колба Бунзена, воронка
Бюхнера, реакция Зинина, Менделевий, Оганесон и др.). Химический
язык отражает специфику экспериментальной работы и коммуникацию
между исследователями. В общении часто применяется сложившаяся
в науке система химических знаний, в которой встречается побуждение, оценка и аналитические вопросы относительно исследуемых химических объектов, полученных эмпирических результатов. Овладение
азами химического языка – одно из условий успешности исследовательской деятельности школьников по химии. Подчеркнем, что для овладения химическим языком необходимо хорошее знакомство с физикой
и математикой, развитое формально-символическое и пространственнообразное мышление. Вместе с тем химический язык не сводим только
к физике и математике – особенность языковых структур химических
знаний проявляется в их историчности, образности, имеет эвристический, т.е. поисковый характер.
В процессе исследовательской деятельности школьников по химии
можно наблюдать следующие познавательные мыслительные и практические действия: 1) выявление обучающимися сущности химической
реальности, например внешнего вида исследуемого вещества; 2) рассматривание химического состава вещества с точки зрения имеющихся
у обучающихся химических знаний; 3) выдвижение обучающимися предположения о структуре исследуемого вещества и его свойствах, отбор
181
ПРОЕКТНАЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ
методов, позволяющих опытным путем подтвердить предположение;
4) описание обучающимися на основе подтвержденного опытным путем
предположения формально-символическим языком свойств и отношений
исследуемого вещества. Таким образом, в процессе исследовательской
деятельности по химии недифференцированное представление о химической реальности сменяется дифференцированным, более глубоким и ярким, с наглядными примерами, т.е. происходит упорядочивание
свойств,
отношений веществ, процессов и явлений. Это упорядочивание информации становится ключевой основой для реализации исследовательской
деятельности школьников.
Обновленный ФГОС общего образования [133] ориентирует
на развитие у обучающихся инициативных и творческих личностных
качеств, главными составляющими которых является мотивация к получению химических знаний и овладение общими и специфическими
способами учебной работы. Урок химии и внеурочная деятельность
по химии в части развития у обучающихся исследовательской компетенции должны быть направлены на достижение запланированных
в Примерной рабочей программе учебного предмета «Химия» следующих результатов:
• познавательных мотивов, направленных на получение новых знаний по химии, необходимых для объяснения наблюдаемых химических процессов и явлений, практического использования знаний
в жизни;
• умения раскрывать смысл химических понятий, использовать их
для объяснения химических фактов и явлений, устанавливать связь
между химическими понятиями;
• умения преобразовывать широко применяемые в химии модельные
представления – химический знак (символ элемента), химическая
формула и уравнение химической реакции – при решении учебнопознавательных задач; с учетом этих модельных представлений выявлять и характеризовать существенные признаки изучаемых объектов – химических веществ и химических реакций;
182
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО ХИМИИ
• умения выбирать основания и критерии для классификации химических веществ и химических реакций; устанавливать причинноследственные связи между объектами изучения;
• умения использовать поставленные вопросы и качества инструмента познания, а также в качестве основы для формулирования гипотезы по проверке правильности высказываемых суждений;
• приобретения опыта по планированию, организации
и проведению
ученических экспериментов – умения наблюдать за ходом процесса,
самостоятельно прогнозировать его результат, формулировать обобщения и выводы по результатам проведенного опыта, исследования,
составлять отчет о проделанной работе.
Следовательно, в исследовательской деятельности по химии можно
выделить следующие отдельные виды действий обучающихся.
1. Действия с материальными химическими объектами.
Служат исходной точкой исследовательской деятельности по химии, основой для пробуждения у школьников познавательного интереса, развития творческих способностей, сопровождающих исследование. Осуществляются с химическими веществами, процессами
и явлениями, как на уроках, так и во внеурочной деятельности в виде
химических опытов, проводимых учениками или учителем. Действия
с материальными химическими объектами служат основой, без которой невозможно познать и изучить отдельные стороны химических
объектов – предметы химических исследований: состав и строение
веществ, свойства веществ, проявляющиеся в химических реакциях.
В этих действиях школьники учатся характеризовать (описывать) общие химические свойства веществ различных классов, подтверждая
описание примерами молекулярных уравнений соответствующих химических реакций; прогнозировать свойства веществ в зависимости
от их качественного состава, возможности протекания химических
превращений в различных условиях; следовать правилам пользования химической посудой и лабораторным оборудованием, а также
правилами обращения с веществами в соответствии с инструкциями
183
ПРОЕКТНАЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ
по выполнению лабораторных химических опытов; планированию
и проведению химических экспериментов.
2. Действия с заместителями материальных химических объектов.
Организуются с теми средствами обучения, которые заменяют
материальный объект изучения химии: моделями молекул веществ,
кристаллических решеток; химическими формулами веществ и уравнениями химических реакций; математическими действиями и операциями (решением расчетных задач по химии);
химическими таблицами и справочными данными; текстовой и цифровой информацией
на различных носителях. Осуществляя действия с заместителями реальности, обучающиеся учатся использовать химическую символику
для составления формул веществ и уравнений химических реакций;
иллюстрировать взаимосвязь основных химических понятий и применять эти знания при описании химических веществ и их превращений;
определять валентность атомов элементов в химических соединениях, степень окисления элементов в химических соединениях, принадлежность веществ к определенному классу по химическим формулам,
вид химической связи в неорганических и органических соединениях;
вычислять относительную молекулярную и молярную массы веществ:
массовую долю химического элемента по формуле соединения, массовую долю веществ в растворе, проводить расчеты по уравнению химической реакции и др.
3. Мыслительные действия с химическими знаниями.
Проводя химические опыты и эксперименты, составляя химические
формулы и уравнения, работая с табличными данными, школьники систематизируют различные химические факты, устанавливают взаимосвязи между химическими понятиями, осуществляют мыслительные
операции с химическими знаниями: анализ, синтез, сравнение, обобщение, систематизацию, классификацию, абстрагирование и моделирование. В сочетании с материальными действиями с химическими объектами и с работой с заместителями химических объектов мыслительные
действия рождают догадку, продуцируют постановку вопроса, ориенти-
184
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО ХИМИИ
руют на исследование. В психологии считается, что вопрос фиксирует
отсутствие у субъекта познания необходимой ему информации, поэтому
направляет его мыслительный процесс на исследовательские действия
по обретению этой информации. Так, Г.Г. Граник, С.М. Бондаренко,
Л.А. Концевая отмечают, что «…ученики осознают, что именно нужно
открыть, и мысленно устремляются к этому
открытию. Вопрос, как факел, зажженный впереди шествия, высвечивает дальнейшее направление работы» [30, с. 112].
Осуществляя мыслительные действия с химическими знаниями,
обучающихся учатся раскрывать смысл основных химических понятий: химический элемент, атом, молекула, ион, катион, анион, простое
вещество, сложное вещество, валентность, электроотрицательность,
степень окисления, химическая реакция, моль, молярный объем, раствор, электролиты, неэлектролиты, электролитическая диссоциация,
реакции ионного обмена, катализатор, химическое равновесие, обратимые и необратимые реакции, окислительно-восстановительные
реакции, окислитель, восстановитель, окисление и восстановление,
аллотропия, амфотерность, химическая связь (ковалентная, ионная,
металлическая), кристаллическая решетка, коррозия металлов, сплавы, скорость химической реакции, предельно допустимая концентрация (ПДК) вещества и др.
Сочетание вышеперечисленных действий ведет к переводу химических знаний из внешнего плана во внутренний план личности
и обратно. По выполнению соответствующих заданий можно судить
об уровне усвоения химических знаний. Репродуктивный уровень связан с воспроизведением химических знаний по образцу в стандартных
учебных ситуациях, не требующих творческих способностей и критического мышления. Исследовательская деятельность по химии, напротив, всегда подразумевает перенос химических знаний в новую
нестандартную учебную ситуацию, связанную с неопределенностью,
открытием новых химических знаний, расширением продуктивных
способов исследовательской работы.
185
ПРОЕКТНАЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ
Особое место в исследовательской деятельности школьников
по химии занимают специфические методы химического образования. Так, М.С. Пак к ним относит следующее: 1) наблюдение химических объектов; 2) моделирование химических объектов; 3) описание
химических объектов; 4) объяснение химических фактов и явлений;
5) предсказание химических фактов и явлений; 6) химический эксперимент; 7) решение химических задач [88, с. 118]. Рассмотрим
последовательно место и роль этих методов в исследовательской деятельности школьников по химии.
Наблюдение химических объектов связано с целенаправленным их
восприятием с помощью органов чувств или лабораторных приборов.
Для исследовательской деятельности особенно важны целенаправленность наблюдения, его планомерность и активность. Целенаправленность наблюдения химических объектов, например опытов по получению и собиранию в лабораторных условиях водорода и кислорода,
связана со сосредоточением внимания обучающихся на отдельных сторонах химического объекта, в данном случае – газообразных веществ.
Планомерность наблюдения подразумевает фиксацию в нем главного, существенного по заранее намеченному плану, а активность – поиск нужного на основе использования имеющихся знаний о веществах,
а не только пассивного восприятия их внешнего вида. Особую роль
играет химическое наблюдение на местности, которое могут выполнить
обучающихся 10–11-х профильных классов. Например, датчики соединений свинца, меди и кадмия цифровой лаборатории einsteinтм [142]
позволяют оперативно собрать количественные данные о содержании
в почве солей этих тяжелых металлов, являющихся опасными для здоровья человека и животных.
Моделирование химических объектов представляет собой деятельность с моделями – реальными или виртуальными заместителями химических объектов (шаростержневые и объемные модели молекул
органических веществ, кристаллические решетки веществ, макеты
химических производств, химические символы, формулы, уравнения
186
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО ХИМИИ
и др.). Так, «Набор для сборки молекул органических веществ модели
D» представляет собой конструктор, включающий 111 атомов химиче-
ских элементов. Он позволяет учителю демонстрировать обучающимся строение функциональных групп, алканов, алкенов, алкинов, спиртов, простых эфиров, альдегидов, кетонов, аминов, ароматических
и гетероциклических соединений, организовывать исследовательскую
работу по моделированию молекул органических веществ, используя
структурную и стереоизомерию (например, оптическую и геометрическую), конфирмационный анализ. С помощью шаростержневых (открытых) и объемных (компактных) моделей можно создать молекулы
изопрена, молочной кислоты, глюкозы, кофеина, ментола и других
органических соединений, используемых в ароматерапии. Особенно
интересным является компьютерное моделирование молекул веществ.
Так, программы ArgusLab 4.0.1., Microsoft Offi ce Power Point 2010,
Cinema 4D позволяют «создать» на компьютере визуализированные
изображения молекул существующих органических веществ, а также
смоделировать пока еще не созданные химические соединения с нужными свойствами, например антибиотики на основе производных тетрациклина, которые могут быть напечатаны на 3D-принтере в виде
пластиковых моделей.
Описание химических объектов заключается в последовательном
изложении с раскрытием характерных признаков, особенностей химических объектов и явлений. Этот метод исследования применяется
в следующих случаях: 1) проведенный химический опыт не раскрыл
внутреннюю сущность исследуемого явления; 2) необходимо изучение историографии вопроса; 3) требуется создать у обучающихся
эффект присутствия, например, на химическом производстве; 4) химический объект рекомендуется изучать в динамике происходящих
с ним изменений. В качестве примера рассмотрим динамическое
описание. Так, М.С. Пак считает, что обучающиеся, наблюдая процесс «схватывания» гипсового теста, не могут представить процесс
в динамике происходящих преобразований. Возникает вопрос: что же
187
ПРОЕКТНАЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ
происходит внутри этого «теста»? Для ответа на него необходимо
описание процесса, которое предложил известный методист-химик
В.П. Гаркунов: «Когда полуводный гипс замешивается с водой, происходит его гидратация. Процесс гидратации сопровождается выделением тепла. При нагревании растворимость гипса уменьшается,
и он начинает кристаллизоваться. Мягкое, пластичное гипсовое тесто
прорезается кристаллами и
превращается в монолит. Процесс кристаллизации гипса сопровождается увеличением объема массы. Масса плотно заполняет форму, в которую было помещено гипсовое тесто
до кристаллизации» [88, с. 119–120].
Разновидностью описания химических объектов является их характеристика. В исследовательской работе школьников по химии характеристика вещества или реакции используется довольно часто.
Объяснение химических фактов и явлений раскрывает сущность химических объектов, устанавливает связи между теоретическими знаниями и практическими результатами, полученными в химическом опыте.
Часто в исследовательской работе школьники имеют дело со скоростью
химической реакции, которая зависит от многих факторов, в частности
от энергии активации. В ходе химической реакции разрушаются одни
и возникают другие молекулы и соединения, происходит изменение химических связей, т.е. перераспределение электронной плотности. Если
бы старые химические связи в ходе реакции сразу полностью разрушались, то на это потребовалось бы значительное количество энергии, и реакции протекали бы медленно. На самом деле в ходе таких
реакций образуется переходное состояние – активированный комплекс,
в котором старые связи еще не разорваны, но уже ослаблены, новые
связи наметились, но еще не образовались. Время существования активированного комплекса невелико (около 10–13 с), при его распаде образуются либо продукты реакции, либо исходные вещества. Энергию,
необходимую для перехода вещества в состояние активированного комплекса, называют энергией активации. Школьникам можно предложить
исследовать химические реакции с точки зрения энергии активации.
188
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО ХИМИИ
Например, экзотермические реакции протекают с меньшей энергией
активации, чем эндотермические. Высокая энергия активации является
причиной того, что многие химические реакции при невысоких температурах не протекают, хотя и принципиально возможны. Так, в обычных
условиях самопроизвольно не загораются: дерево, ткань, бумага, уголь,
керосин, хотя энергия Гиббса реакций окисления этих веществ ниже
нуля
, т.е. эти реакции могут протекать. При высоких температурах доля
активных частиц в этих веществах увеличивается, реакции начинаются
и идут довольно быстро.
Предсказание химических фактов и явлений – метод, выполняющий прогностическую функцию в исследовательской деятельности
по химии. Он позволяет на основе химических понятий, законов, теорий предсказать: состав, строение, структуру, свойства веществ; формы
нахождения веществ и распространенность в природе; области применения веществ и способы их получения; устройство и принципы работы устройств и аппаратов, в которых будут использоваться проектируемые химико-технологические процессы; появление новых химических
элементов и др. Например, обучающимся 10–11-х классов можно предложить провести исследование на тему «Химиотерапия в борьбе с бактериальными инфекциями». Поиск химических средств борьбы с болезнетворными бактериями ведется постоянно уже на протяжении многих
лет с переменным успехом. Дело в том, что большинство таких веществ
вредны не только для бактерий, по и для организма человека. Поэтому
теория мало в чем может помочь экспериментаторам, а опыты «вслепую» обычно приводят лишь к частичным достижениям. Лишь в 1932 г.
ученые обнаружили, что вещества, называемые сульфонамидами, обладают способностью излечивать стрептококковые инфекции. Эти вещества и ранее были известны, но применялись они для окраски тканей
в текстильной промышленности. Так появился пронотозил, или красный стрептоцид, оказавшийся первым звеном в длинной цепи соединений, сочетавшим бактерицидность с относительной безвредностью
для организма человека.
189
ПРОЕКТНАЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ
Сейчас молекулу пронтозила удало сь упростить; обычный белый
стрептоцид не менее эффективен, его молекула сохраняет те же группы атомов, которые, собственно, и действуют на бактерии, замещая необходимую для их развития парааминобензойную кислоту. Стрептоцид
оказался очень эффективным средством в борьбе со стрептококковыми
инфекциями и находит широкое применение в медицине. Обучающимся
можно
предложить исследовать воздействие на развитие культур стрептококков в чашках Петри таких лекарственных препаратов, как норсульфазол, сульфодимезин, этазол, фталазол, в молекулах которых сохраняется «ядро» стрептоцида.
Химический эксперимент – основной метод исследовательской деятельности школьников по химии, который служит для обучающихся источником познания химических объектов, решения проблем, проверки
гипотез исследования и т.п. В настоящее время различают три вида химического эксперимента: 1) натуральный химический эксперимент (ему
следует отдать предпочтение); 2) электронный вариант натурального химического эксперимента (разработан В.В. Загорским); 3) виртуальный
химический эксперимент (представлен в ЭОР, ЦОР по химии, разработан
поверхностно, поэтому нуждается в дальнейшем совершенствовании).
Применительно к исследовательской деятельности по химии наибольшее
значение имеют следующие типы школьного химического эксперимента:
• химический опыт на уроке;
• лабораторная работа на уроке;
• практическая работа на уроке и во внеурочной деятельности;
• химический эксперимент во внеурочной деятельности.
Химические опыты, проводимые в школьном кабинете химии, позволяют школьникам исследовать отдельные стороны химических объектов,
лабораторные работы – многие стороны, практические работы посвящены совершенствованию химических знаний и умений, а химические эксперименты во внеурочной деятельности направлены на удовлетворение
познавательных интересов и потребностей обучающихся, способствуют
развитию индивидуального опыта творческой деятельности.
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]