Исследовательское обучение
в практике преподавания химии

Человек по своей природе – исследователь. Особенно ярко поисковая активность проявляется в юном возрасте, когда небольшой жизненный опыт не дает возможности получить ответы на все интересующие вопросы.

Учитель может использовать это природное стремление к поиску в своей образовательной деятельности, координируя переход от спонтанного интереса учащихся к природным объектам и явлениям к конструктивным, сознательным, логически выверенным действиям [1]. Цель такой работы – формирование ключевых компетенций учащихся: образовательной, методологической, коммуникативной, экспериментальной. Исследовательский метод особенно эффективен в практике обучения химии, т.к. он дополняется школьным экспериментом.

Существует масса методических приемов и дидактических методов, позволяющих вовлекать учащихся в исследовательскую деятельность. Можно организовать эту работу, комбинируя объяснительно-иллюстративный метод обучения с эвристическим методом, проводя лабораторные и практические работы исследовательского характера, развивая навыки творческой работы с литературными источниками.

Сущность эвристического метода обучения предлагается рассмотреть на примере урока в 8-м классе по теме «Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева». На первом этапе изучения темы учащиеся делают карточки со знаками химических элементов, изображая знаки металлов черным, неметаллов – красным цветом. На этих карточках указываются относительные атомные массы элементов, важнейшие характеристики как простых веществ, образованных атомами этих элементов, так и их соединений: оксидов и гидроксидов.

На следующем этапе учащиеся раскладывают эти карточки по мере увеличения атомных масс в один ряд, самостоятельно замечая в ходе работы периодичность в изменении свойств простых веществ и кислотно-основных характеристик соединений химических элементов. Чаще всего далее следует предложение разделить общий ряд карточек на самостоятельные подразделения, которые начинаются со щелочного металла и заканчиваются инертным газом. Так мы получаем периоды периодической системы химических элементов (ПСХЭ), даем им определение, отмечаем закономерности изменения физико-химических свойств простых веществ и соответствующих соединений.

Сформировав таким способом несколько периодов химических элементов, ребята понимают, что в столбцах друг под другом располагаются элементы со сходными характеристиками. В результате мы «открываем» группы ПСХЭ, даем им определение, отмечаем наличие главных и побочных подгрупп, закономерности изменения химических свойств в подгруппах.

Таким образом, в сущности мы моделируем логику Д.И.Менделеева по открытию периодического закона.

Для учащихся старших классов аналогичный метод может быть применен в усложненном виде: периодический закон формулируется, ПСХЭ формируется в свете теории строения атомов, прослеживаются закономерности изменения количества элементарных частиц, атомного радиуса [2].

При обучении органической химии эвристический метод может быть применен после освоения учащимися таких понятий, как «кратные связи», «предельные и непредельные соединения», «функциональные группы», «качественные реакции».

Исследование зависимости свойств бензола от его химического строения начинают с противоречия: согласно формуле Ф.А.Kекуле бензол должен проявлять свойства непредельных углеводородов, т. е. взаимодействовать с бромной водой и водным раствором перманганата калия, но эти реакции не наблюдаются. Дальнейшее изучение строения молекулы бензола показывает, что единое p-облако электронов выравнивает связи по всему бензольному кольцу, и для этого представителя ароматических углеводородов более характерны реакции замещения [3]. Такой проблемный способ решения учебной задачи позволяет следовать логике научного познания, приводит к качественному усвоению учебного материала.

При изучении строения глюкозы в курсе органической химии логика объяснения нового материала может быть обратная (от свойств – к строению): учащиеся проводят реакции раствора глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра и раствора глюкозы со свежеприготовленным осадком гидроксида меди(II) при комнатой температуре. Первая реакция («серебряное зеркало») свидетельствует о наличии карбонильной группы, вторая – о присутствии нескольких гидроксигрупп в молекуле глюкозы. Далее учитель поясняет, что 1 моль глюкозы вступает в реакцию этерификации с 5 моль уксусного ангидрида (СН₃СО)₂О. Следовательно, гидроксигрупп – пять. Таким образом, мы доказываем, что глюкоза – это альдегидоспирт. Тривиальное задание для учащихся по школьному пособию можно превратить в увлекательное исследование неизвестной ранее информации. Учителю достаточно использовать несколько методических приемов: мотивировать процесс работы с учебным материалом, научить выбирать нужную информацию и фиксировать ее в компактном виде (таблицы, схемы). Очень важно заронить в этот процесс зерно конкуренции: самая подробная таблица, рациональная схема, логически выверенная цепочка должны быть отмечены по окончании работы.

При изучении в 9-м классе темы «Сера» учащимся предварительно демонстрируется ромбическая сера до нагревания, процесс плавления кристаллической серы и получившаяся в результате коричневая жидкость, представляющая собой пластическую серу. Далее предлагается заполнить сводную таблицу «Сравнительная характеристика аллотропных модификаций серы», используя материал учебного пособия [4].

Таблица

Сравнительная характеристика аллотропных модификаций серы

По окончании работы проводится фронтальная проверка в виде устного опроса учащихся, которые дают характеристику ромбической и пластической серы, используя таблицу.

В связи с сокращением количества времени, отводимого на изучение курса неорганической химии в 9-м классе, проблема ознакомления учащихся с основами местных химических производств может быть решена за счет школьного или регионального компонента. В предлагаемом далее примере используется проблемное обучение [см. 1], дополняющее исследовательский метод.

Градообразующее предприятие нашего города – ОАО «Североникель». Среди товарной продукции предприятия – высококачественная серная кислота. По моему убеждению, учащиеся, большинство которых будет работать на комбинате, должны понимать элементарные основы технологического процесса, происходящего при производстве продукции. Поэтому я не исключаю тему «Производство серной кислоты» из содержания курса.

Актуализация знаний, мотивация происходит в начале работы: демонстрируются образцы местной и норильской руд, среди особенностей последней отмечается высокое содержание серы. Учащимся напоминается знакомая с детства картина – периодические выбросы в атмосферу сернистого газа. Защита окрестностей от поражения сернистым газом в первую очередь решается расширением серно-кислотного производства, эффективно утилизирующим основную массу серы из газов металлургических печей.

В ходе работы используются материалы учебного пособия, демонстрационная таблица «Производство серной кислоты контактным способом» и дополнительная информация регионального содержания. В результате работы над этой темой составляется упрощенная схема технологического процесса производства серной кислоты, сопровождаемая соответствующими уравнениями реакций.

Для учащихся это исследование актуально, оно касается решения жизненно важной проблемы.

Использование в учебном процессе практических работ исследовательского характера способствует активизации познавательного интереса учащихся, расширяет возможности для индивидуального и дифференцированного подхода к обучению, повышает творческую активность. Современная программа курса химии О.С.Габриеляна позволяет проводить практические работы исследовательской направленности начиная с 8-го класса: «Наблюдения за горящей свечой», «Анализ почвы и воды» [5]. Для 9-го класса приводятся практические работы «Решение экспериментальных задач на распознавание важнейших катионов и анионов», «Практическое осуществление превращений веществ», «Решение экспериментальных задач на распознавание органических веществ» [см. 4].

В старших классах исследовательский характер практических работ усложняется: «Идентификация органических соединений», «Обнаружение витаминов», «Действие ферментов на различные вещества» – в 10-м классе [6]; «Получение, собирание и распознавание газов и изучение их свойств», «Сравнение свойств неорганических и органических соединений», «Решение экспериментальных задач по теме “Гидролиз” – в 11-м классе [7]. При этом лабораторные и практические работы проводятся в течение изучения темы или сразу по ее окончании, по «свежим следам». Это позволяет поддерживать интерес к изучаемому материалу.

Применяя исследовательский метод обучения на уроке, мы можем быть уверены, что некоторые учащиеся, обладающие оригинальным и гибким мышлением, выразят желание заняться исследовательскими проектами и во внеурочное время. На этом этапе важнейшее значение имеет выбор темы. Опыт показывает, что подростка интересует прежде всего то, что связано с его жизнью, здоровьем, бытом.

Так появилась на свет исследовательская работа «Дело вкуса», в которой учащиеся 9-го класса изучали влияние возраста, физических, психологических нагрузок, пола и вредных привычек на формирование вкуса. Измеряя абсолютные вкусовые пороги подростков в возрасте 14, 16–17 лет, а также взрослых людей в возрасте 40–60 лет, юные исследователи пришли к следующим выводам:

• девушки и юноши имеют разные вкусовые пороги на различные вкусовые ощущения (оказывается, юноши – настоящие сладкоежки);

• с возрастом вкусовые пороги меняются;

• значительные и систематические физические нагрузки требуют дополнительной энергии, спортсмены становятся выраженными сладкоежками поневоле;

• интеллектуальная работа требует не меньших затрат энергии, чем физическая, и приводит к повышению потребности организма в дополнительном поступлении «быстрых» углеводов и, как следствие, повышению абсолютного вкусового порога;

• курение негативно влияет не только на дыхательную систему, но и на полноту вкусовых ощущений человека;

• существуют способы диагностирования различных заболеваний по расстройствам вкуса.

В заключение ребята обобщают: человек есть не только то, что он ест, но и какой образ жизни ведет, дает ли он возможность своему телу развиваться в соответствии с заложенным генотипом и совершенствоваться в соответствии с общечеловеческими понятиями о пользе и красоте.

Есть еще одно направление исследовательской работы, неизменно вызывающее интерес учащихся, – экология и охрана окружающей среды. На протяжении нескольких лет я координирую исследовательские работы учащихся нашей школы по экологическому мониторингу г. Мончегорска.

Исследование «Голубая лагуна для жемчужины Заполярья» (2002) посвящено проблемам загрязнения водоемов на территории города. В работе «Экологические ловушки» (2004) изучен уровень загрязненности воздуха вблизи наиболее загруженных участков автодорог Мончегорска. Она является компактной, статистически выверенной работой бывших учащихся 11-го класса Глафиры Рыжковой и Натальи Семеновой, ныне студенток Санкт-Петербургского химико-технологического университета. В процессе исследования учащиеся сделали вывод, что некоторые районы города являются местами, где многократно превышаются ПДK угарного газа, т.е. настоящими «экологическими ловушками».
В ходе выполнения этой работы авторы активно сотрудничали с работниками мончегорской ГИБДД, принимали участие в ежегодной операции «Чистый воздух» по выявлению чадящих автомобилей.

Весной 2006 г. учащимися 9-го класса была завершена работа «Мониторинг состояния снежного покрова», посвященная исследованиям уровня загрязненности снежного покрова некоторых наиболее населенных районов Мончегорска. Авторы работы пришли к интересным выводам:

• основным загрязнителем снежного покрова на территории города можно считать не комбинат «Североникель», а дворы обычных многоэтажных домов с их дымящимися, часто неопрятными мусорными контейнерами и чадящими автомобилями, чьи хозяева не соблюдают правила парковок; это приводит к дополнительному закислению снежного покрова и увеличению содержания твердых частиц в пробах снега;

• с переходом комбината «Североникель» на новые технологии (переход от пирометаллургических к гидрометаллургическим способам получения металлов) роль его как стационарного источника выбросов уменьшилась, показатели проб, взятых у проходной комбината, по кислотности и содержанию твердого осадка не превышали показатели проб из других мест забора (за исключением территории городского парка);

• тревожные факты повышенной кислотности проб снега, взятых в районе перекрестка автомобильных дорог, говорят о том, что на наших дорогах по-прежнему много автотранспорта, работающего без применения каталитических нейтрализаторов, снижающих токсичность выхлопных газов;

• слабое закисление проб снега, взятых в районе городского парка, говорит о том, что он тоже не является идеально чистой территорией с точки зрения экологии.

Kроме того, юные исследователи поняли, что экологическое благополучие наших городов во многом зависит от корректного решения простых бытовых и житейских проблем: содержать в порядке свои дворы, правильно парковать автомобиль, вовремя его отремонтировать, не оставлять мусор после ремонта или строительства.

«Мы готовы сотрудничать с городским экологическим центром по проведению экологического мониторинга нашего города, можем предоставить результаты нашей работы для осуществления экологического воспитания на классных часах. Нам очень хочется, чтобы заснеженный Мончегорск был похож на зимнюю сказку», – пишут авторы в заключительной части работы.

Специалисты отмечают, что в современном стремительно меняющемся мире развитое исследовательское поведение можно рассматривать как неотъемлемую характеристику личности, как стиль жизни современного человека. Подготовка ребенка к исследовательской деятельности, обучение его умениям и навыкам исследовательского поиска становится важнейшей задачей современного образования.

Л и т е р а т у р а

1. Леднева С.А. Юный исследователь: обучение и развитие. Исследовательская работа школьников, 2004, № 1, с. 171–173.

2. Bolmgren I. Journal of Chemical Education, 1995, № 4, р. 337–338.

3. Артеменко А.А. Органическая химия. М.: Просвещение, 2001.

4. Габриелян О.С. Химия. 9 класс. М.: Дрофа, 2001.

5. Габриелян О.С. Химия. 8 класс. М.: Дрофа, 2001.

6. Габриелян О.С. и др. Химия. 10 класс. М.: Дрофа, 2001.

7. Габриелян О.С. и др. Химия. 11 класс. М.: Дрофа, 2001.

О.А.ЧЕРНЫШОВА,
учитель химии средней школы № 14
(г. Мончегорск, Мурманская обл.)