МЕТОДИКА
ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

Продолжение. См. № 27–28, 30, 31, 36, 38, 39, 40, 43, 45/2003;
5/2004

§ 3.6. Химический эксперимент
в проблемном обучении

Характерной особенностью развивающего обучения является широкое использование проблемного подхода, который включает создание проблемной ситуации, понимание проблемы, деятельность, направленную на ее решение, и получение определенных знаний. Проблемный подход предполагает активизацию мыслительной деятельности учащихся при постановке перед ними познавательных задач. Решая эти задачи, ученики могут встретиться с трудностями понимания и осмысления нового учебного материала, т.е. с возникшей проблемной ситуацией.
Проблемная ситуация – это затруднение или противоречие, возникшее в процессе выполнения определенной учебной задачи, для разрешения которой требуются не только имеющиеся знания, но и новые.
Учащиеся быстрее включаются в активную деятельность, если:
– проблемная ситуация вызывает у них не только чувство затруднения, но и уверенность в возможности с ней справиться, т. е. она не слишком проста и не очень для них трудна;
– элемент нового в проблемной ситуации вызывает интерес и способствует мобилизации умственных сил на ее решение.
Следовательно, необходимо, чтобы проблемные ситуации были разнообразными по содержанию и возможным способам решения.
Проблемные ситуации могут возникать в следующих случаях.
При расхождении между имеющимися знаниями и наблюдаемыми новыми фактами и явлениями. Например, ученикам известно, что все основания взаимодействуют с кислотами. Опыт взаимодействия гидроксида алюминия с гидроксидом натрия вызывает недоумение, т. к. в реакцию вступает нерастворимое и растворимое основания.
При расхождении между имеющимися знаниями и новыми условиями их применения. Например, при взаимодействии растворов солей аммония и щелочей происходит выделение газа. Учащиеся затрудняются объяснить сущность данного опыта, т. к. до сих пор они сталкивались только с тем, что при взаимодействии растворов солей и щелочей должен образоваться осадок.
При расхождении между теоретическими и практическими знаниями. Например, в представлении учащихся вода является растворителем многих веществ, в том числе и солей. Растворение солей они относят к физическим явлениям. Наблюдение гидролиза солей вступает в противоречие с имеющимися практическими знаниями.
Известно, что создавать проблемные ситуации и решать их можно с помощью различных методов, с привлечением наглядных и технических средств обучения, а также с использованием химического эксперимента. Например, при постановке демонстрационных и лабораторных опытов, результаты которых ребята не могут объяснить, используя свои знания, поскольку в этих результатах, как правило, содержится новая информация, для понимания которой нужны новые знания. Такие опыты проводят перед изучением новой темы или отдельного ее вопроса, а также перед обобщением всего пройденного материала. Сначала учащиеся просто наблюдают явления, а затем при возникновении проблемы рассматривают глубоко и всесторонне их сущность.
Демонстрационные и лабораторные опыты в процессе проблемного обучения могут служить как материалом для создания проблемных ситуаций, так и использоваться для их решения.
Следует учесть, что если для доказательства или опровержения гипотезы в ходе решения проблемы могут применяться все опыты, предусмотренные программой, то для создания проблемной ситуации можно использовать отнюдь не каждый опыт. В связи с этим к опытам, с помощью которых преподаватель создает проблему, предъявляются следующие требования:
1) содержание опытов должно опираться на известные ученикам явления и закономерности и создавать перед ними посильную проблемную ситуацию;
2) проведению их должен предшествовать показ одного или нескольких опытов, подводящих к пониманию проблемы на основе уже имеющихся знаний;
3) опыты, с помощью которых ставится проблема, должны вызывать интерес, возбуждать любознательность.
Второе требование оказывается наиболее важным для окончательного выяснения, является опыт проблемным или нет.
Чтобы создавать проблемные ситуации, преподавателю необходимо анализировать учебный материал с точки зрения содержания, структуры, особенностей его усвоения учениками и возможностей использования опытов для постановки и решения проблем. Поэтому при тематическом планировании учебного материала следует предусмотреть время для проведения таких опытов, определить конкретно урок, на котором можно их использовать и задачи, которые будут решаться с их помощью.
Учащихся необходимо научить решать проблемы. Для этого преподаватель сначала сам ставит проблему и показывает пути ее решения, затем проблемные ситуации анализируются под руководством преподавателя. По мере накопления учащимися знаний и овладения преподавателем опытом в использовании проблемного подхода к обучению ребятам предоставляется все больше самостоятельности как в постановке, так и в решении проблем.
Рассмотрим на лабораторном и демонстрационном опытах, как можно ставить и решать проблемные вопросы при изучении неорганической и органической химии. В кратких методических указаниях по их проведению обращается внимание на следующее: название опыта, его цель, необходимые реактивы и оборудование, актуализация имеющихся знаний, формулировка проблемы, выдвижение гипотезы, решение проблемы, выводы.

Опыт лабораторный.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Цель. Расширить представление учащихся о химических свойствах солей на примере взаимодействия их с водой (гидролиз солей).
Реактивы и оборудование. Растворы хлорида натрия, карбоната натрия, сульфата меди(II), гидроксида натрия, соляной кислоты; фенолфталеиновая и универсальная индикаторная бумага.
Актуализация имеющихся знаний. В пробирки с растворами соляной кислоты, гидроксида натрия и водой опускают универсальную индикаторную бумагу. Наблюдают, что в первых двух пробирках ее цвет изменяется, а в пробирке с водой – нет. Учащимся известно, что растворы кислот и оснований (щелочей) изменяют окраску индикаторов. Это обусловлено наличием катионов водорода в первой пробирке и гидроксид-ионов – во второй. В воде окраска индикаторов не изменяется из-за отсутствия тех и других ионов.
Создание проблемной ситуации и формулировка проблемы. 1. В раствор хлорида натрия опускают индикаторную бумагу. Изменения окраски индикаторов не наблюдается. 2. В растворы карбоната натрия и сульфата меди(II) опускают индикаторную бумагу. В обоих случаях изменяется окраска индикаторов.
До сих пор учащиеся считали, что водный раствор солей – нейтральный, поскольку при диссоциации солей не образуются ни катионы водорода, ни гидроксид-ионы. Изменение окраски индикаторов в растворах солей вступает в противоречие с имеющимися у них представлениями. На основании этого формулируется проблема: почему водные растворы солей в одних случаях изменяют окраску индикаторов, а в других – нет?
Выдвижение гипотезы. Учащиеся считают, что причина изменения окраски индикаторов в растворах солей обусловлена, по-видимому, присутствием катионов водорода и гидроксид-ионов.
Решение проблемы и выводы. Опираясь на имеющиеся знания, ученики составляют схемы гидролиза солей в ионной форме и объясняют сущность наблюдаемых явлений. Они устанавливают, что соли, образованные сильными кислотами и основаниями, гидролизу не подвергаются. Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, а также сильным основанием и слабой кислотой, взаимодействуют с водой с образованием малодиссоциирующих веществ и освобождением гидроксид-ионов и катионов водорода.

Опыт демонстрационный.

ОКИСЛЕНИЕ ТОЛУОЛА

Цель. Показать, что толуол в отличие от метана и бензола может окисляться.
Реактивы и оборудование. Бензол, толуол, подкисленный раствор перманганата калия; держатель для пробирок, горелка или спиртовка.
Актуализация имеющихся знаний. Метан пропускают через подкисленный раствор перманганата калия. Обесцвечивания раствора не происходит. К бензолу добавляют раствор перманганата калия и осторожно слегка подогревают. Обесцвечивания раствора перманганата калия не происходит.
Результаты опытов учащиеся объясняют, опираясь на свои знания о структуре и свойствах молекул метана и бензола.
Создание проблемной ситуации и формулировка проблемы. К толуолу добавляют раствор перманганата калия и осторожно слегка подогревают. Раствор перманганата калия обесцвечивается.
Учащиеся уже знают строение и свойства молекул метана и бензола. Им известна причина их устойчивости к действию окислителей. Но этих знаний недостаточно, чтобы объяснить химические свойства толуола. Учащиеся не могут объяснить причину обесцвечивания перманганата калия толуолом. Возникает проблема: почему в отличие от метана и бензола толуол окисляется?
Выдвижение гипотезы. Учащиеся высказывают предположение, что молекула толуола в отличие от метана и бензола окисляется, по-видимому, из-за влияния бензольного ядра на метильную группу, а метильной группы – на бензольное ядро.
Решение проблемы и выводы. Учащиеся легко осознают суть происходящего явления и понимают проблему, если восстановить в их памяти знания о взаимном влиянии радикалов и атомов галогенов в молекулах предельных галогенопроизводных, о влиянии метильного радикала на смещение -связи в молекуле пропена. После коллективного обсуждения ребята приходят к выводу, что толуол можно рассматривать как бензол, в молекуле которого один атом водорода замещен на метильную группу, и как метан, в молекуле которого атом водорода замещен ароматическим радикалом – фенилом С₆Н₅. Это дает возможность предположить, что в молекуле толуола происходит взаимное влияние метильной группы на бензольное ядро, а бензольного ядра – на метильную группу. Последнее обстоятельство обусловливает меньшую устойчивость метильной группы молекулы толуола к действию окислителей по сравнению с метаном и бензолом, что и приводит к его окислению при нормальных условиях.
К опытам, с помощью которых можно создавать и решать проблемные ситуации, относятся следующие: испытание веществ и их растворов на электропроводность; взаимодействие солей аммония со щелочами; нейтрализация кислот аммиаком; термическое разложение солей аммония; особые свойства азотной кислоты (взаимодействие с металлами); термическое разложение нитратов; взаимодействие металлов с растворами солей; отношение алюминия к концентрированной азотной кислоте; взаимодействие гидроксида алюминия с кислотами и щелочами; взаимодействие этилена с бромной водой и окисление его перманганатом калия; растворимость каучука и резины в органических растворителях; взаимодействие глицерина
с гидроксидом меди(II); взаимодействие фенола
с раствором щелочи и бромной водой.
По аналогии с рассмотренной выше методикой использования проблемных опытов преподаватель может самостоятельно разработать конкретную методику их проведения на уроках.
В тех случаях, когда проблема выдвигается с помощью других средств и методов обучения, демонстрационные и лабораторные опыты используются для проверки правильности выдвинутой гипотезы. Рассмотрим эту функцию опытов на двух примерах из неорганической и органической химии.

Опыт демонстрационный.

ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИДА УГЛЕРОДА(IV)
И ИСПЫТАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

Цель. Показать зависимость свойств оксида углерода(IV) от его состава и строения.
Реактивы и оборудование. Кусочки мрамора или известняка, растворы соляной кислоты и универсального индикатора, известковая или баритовая вода, сильно разбавленный раствор гидроксида натрия; газоотводная трубка для получения оксида углерода(IV), лабораторный штатив, пробирки.
Актуализация имеющихся знаний. Учащимся из курса химии 8-го класса известны общие свойства оксидов неметаллов. Они разбираются также в свойствах оснований, кислот и солей с точки зрения теории электролитической диссоциации. Во время вводной беседы они восстанавливают в памяти свойства этих веществ.
Создание проблемной ситуации и формулировка проблемы. По составу оксид углерода(IV) относится к оксидам неметаллов. Рассматривая электронную формулу оксида углерода(IV), отмечается насыщенность связей углерода с кислородом и их прочность (ковалентные неполярные связи). Значит, оксид углерода(IV) – соединение, в котором произошло полное окисление атома углерода. Это дает возможность утверждать, что оксид углерода(IV) способен проявлять общие свойства оксидов неметаллов. Ставится проблема: проверить опытным путем, будет ли оксид углерода(IV) взаимодействовать с водой и щелочами.
Выдвижение гипотезы. Учащиеся предполагают, что оксид углерода(IV) проявляет химические свойства, сходные с общими свойствами оксидов неметаллов.
Решение проблемы и выводы. Опыты демонстрирует преподаватель, или их выполняют учащиеся.
1. В прибор для получения оксида углерода(IV) опускают кусочки мрамора или известняка и добавляют раствор соляной кислоты (1:4). Наблюдается выделение пузырьков газа – оксида углерода(IV).
2. В пробирку с водой, подкрашенной раствором универсального индикатора, пропускают оксид углерода(IV). Наблюдается изменение окраски индикатора.
3. Сначала в пробирку с известковой водой, а затем в пробирку с сильно разбавленным раствором гидроксида натрия, подкрашенного универсальным индикатором, пропускают оксид углерода(IV). В первой пробирке наблюдается помутнение раствора, во второй – его обесцвечивание.
Учащиеся объясняют сущность наблюдаемых опытов, составляют уравнения реакций и приходят к выводу, что оксид углерода(IV) проявляет общие свойства оксидов неметаллов и получают его так же, как и большинство газообразных оксидов.

Опыт демонстрационный.

ОТНОШЕНИЕ ОЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ К БРОМНОЙ ВОДЕ
И  РАСТВОРУ ПЕРМАНГАНАТА КАЛИЯ

Цель. Показать зависимость непредельных свойств олеиновой кислоты от ее состава и строения.
Реактивы и оборудование. Олеиновая кислота, бромная вода, раствор перманганата калия; пробирки.
Актуализация знаний учащихся. Ученики восстанавливают в памяти строение двойной связи, ее характерные особенности и обусловливаемые ею химические свойства этилена и его гомологов. Вспоминают они также химические свойства одноосновных предельных карбоновых кислот.
Создание проблемной ситуации и формулировка проблемы. По молекулярной формуле олеиновой кислоты С₁₈Н₃₄О₂ учащиеся составляют ее структурную формулу и определяют строение, отмечают наличие в молекуле олеиновой кислоты одной двойной связи и одной функциональной карбоксильной группы. Учащиеся характеризуют эту кислоту как вещество, проявляющее свойства карбоновых кислот и непредельных соединений. Они высказывают предположения о свойствах олеиновой кислоты, обусловленные двойной связью. Ставится проблема: экспериментально проверить возможность взаимодействия олеиновой кислоты с бромной водой и раствором перманганата калия.
Выдвижение гипотезы. В связи с наличием в молекуле олеиновой кислоты одной двойной связи учащиеся предполагают, что олеиновая кислота проявляет свойства, сходные с этиленом.
Решение проблемы и выводы. Опыты демонстрирует преподаватель, или их выполняют учащиеся.
1. В пробирку наливают по 2 см³ олеиновой кислоты и бромной воды. Пробирку закрывают пробкой и встряхивают. Наблюдается обесцвечивание бромной воды.
2. В пробирку наливают по 2 см³ олеиновой кислоты и раствора перманганата калия. Пробирку закрывают пробкой и тоже встряхивают. Наблюдается обесцвечивание раствора перманганата калия.
Учащиеся составляют уравнения реакций, объясняют сущность проведенных опытов и приходят к выводу, что олеиновая кислота наряду со свойствами карбоновых кислот проявляет также свойства непредельных соединений, что говорит о ее двойственной природе.

* * *

Опыты, с помощью которых перед учащимися можно ставить проблемы, сами по себе не могут решить все задачи урока. Они становятся лишь одним из средств активизации мыслительной деятельности учащихся, поскольку помогают в наглядной форме противопоставить неизвестное известному и побуждают ребят к поиску путей решения возникшей проблемы. Только в совокупности с другими средствами, методами и приемами такие опыты приобретают важное значение в обучении химии.

В.Я.ВИВЮРСКИЙ