Цифровые лаборатории
как средство современного
школьного химического образования

Новое поколение естественно-научных цифровых лабораторий (ЦЛ), поступающих в школы, позволяет организовать химический эксперимент на принципиально новом уровне, перейти к элементам научного исследования, от исключительно качественной оценки наблюдаемых явлений к системному анализу количественных характеристик, в полной мере реализовать возможности межпредметных связей с физикой, экологией, биологией, математикой и информатикой [1]. Они позволяют выполнять интегрированные учебные проекты по естественным наукам, применять и осваивать методы научной статистики, прикладной математики, информационных технологий.

ЦЛ используются в учебном процессе для практических занятий и лабораторных опытов на уроках химии, организации исследовательских практикумов, учебных исследовательских проектов как в классе, так и в походных условиях. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Результаты экспериментов могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью.

В настоящее время в школы поступают следующие цифровые лаборатории:

• «Архимед» производства Fourier Systems, Inc (Израиль, www.fourier-sys.com), распространитель – Институт новых технологий (Москва, www.int-edu.ru);

• «L-микро» производства компании «Лаборатория L-микро» (Россия, www.l-micro.ru).

Цифровая (компьютерная) лаборатория – комплект учебного оборудования, включающий измерительный блок, интерфейс которого позволяет обеспечивать связь с персональным компьютером, контейнеры и датчики, регистрирующие значения различных физических величин. Комплект ЦЛ «Архимед» для кабинетов химии и биологии включает набор датчиков, позволяющих измерять:

• концентрацию катионов H⁺ в водных растворах (комбинированный pH-метр, внутри которого имеются две полуячейки, одна из которых содержит электрод сравнения, а другая – чувствительную стеклянную мембрану);

• концентрацию кислорода (амперометрический датчик, представляющий собой двухэлектродную систему из металлов, обладающих различными потенциалами на границе металл/кислород; интервал измерений в газовых смесях – 0–25% и в водных растворах – 0–12,5 мг/л);

• температуру (термоэлектрические преобразователи, работающие в интервалах от –200 °С до +400 °С и от 0 °С до +1250 °С);

• влажность (в конструкции датчика использованы влагочувствительные компоненты, представляющие собой электрические конденсаторы, емкость которых зависит от влажности газа (воздуха), в который они помещены);

• объемную скорость потока воздуха при вдохе и выдохе (пневмотахометр);

• частоту сердечных сокращений;

• освещенность;

• электрическое напряжение (вольтметр).

В комплект также может входить датчик оптической плотности для проведения калориметрических и турбидиметрических измерений, датчик электрической проводимости для кондуктометрии, ионселективные электроды, позволяющие измерять концентрацию следующих ионов: , F ^–, Ca²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺ в интервале от 10^–5 до 10^–1 моль/л, и другие измерители.

ЦЛ «Архимед» включает сборник методических материалов с подробным описанием различных экспериментов [2], в том числе и по химии. В основном для организации химического эксперимента предлагается использовать датчики температуры и рН-метр. Ниже представлен перечень практических работ, рекомендованных для занятий по химии [см. 2, с. 300–345].

«Реакции нейтрализации. Реакция между раствором гидроксида натрия и соляной кислотой». Анализ кривых зависимости рН и температуры реакционной смеси от времени, полученных в ходе эксперимента, позволяет определить концентрацию вещества в одном из исходных растворов, оценить тепловой эффект реакции нейтрализации.

«Окислительно-восстановительные реакции. Реакция хлорида меди с алюминием». Предлагается получить график зависимости температуры реакционной смеси от времени и по нему оценить тепловой эффект реакции между указанными веществами.

«Экзотермические реакции. Растворение гидроксида натрия в воде». Аналогично получают две кривые, которые затем анализируют и оценивают изменение концентрации гидроксид-ионов и теплоту растворения NaOH.

«Эндотермические реакции. Растворение нитрата аммония в воде»,«Смешивание кристаллов гидроксида бария и роданида аммония», «Взаимодействие лимонной кислоты с пищевой содой». Полученные графики зависимости температуры смеси от времени позволяют рассчитать теплоту растворения NH₄NO₃ в воде, теплоты реакций между Ba(OH) ₂ и NH₄SCN, между лимонной кислотой и NaHCO₃. Школьники на опыте могут убедиться, что описанные процессы протекают с поглощением теплоты.

«Химический катализ. Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV)». Данная работа позволяет проиллюстрировать влияние катализатора на скорость химической реакции, сравнить эффективность различных катализаторов, установить влияние температуры и концентрации исходного вещества на скорость реакции.

«Газовые законы. Зависимость давления воздуха от температуры», «Влияние изменения объема на давление воздуха». Очевидно, эти две работы в большей степени соответствуют курсу молекулярной физики.

«Закон Гесса. Аддитивность теплоты реакции». Предполагается экспериментально подтвердить закон Гесса, анализируя тепловые эффекты растворения гидроксида натрия и нейтрализации полученного раствора соляной кислотой.

«Теплота сгорания». Требуется определить теплоту сгорания магния в кислороде, используя закон Гесса и анализируя теплоты реакций MgO и Mg с соляной кислотой.

«Плавление и кристаллизация». Предлагается изучить кривые замерзания воды и плавления льда. На основании построенных графиков определить температуру замерзания и плавления воды, оценить полученные результаты с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

«Влияние примесей на температуру замерзания». Предлагается сравнить кривые замерзания чистого фенилсалицилата и его смеси с бензойной кислотой. Данная работа нацелена на формирование представлений о физических методах анализа, позволяющих оценить степень чистоты вещества, на установление закономерностей замерзания растворов и чистых растворителей.

«Измерение калорийности продуктов питания». Предполагается оценить тепловые эффекты реакций сгорания веществ, входящих в состав попкорна, арахиса и алтея аптечного. На основании полученных данных определить калорийность указанных продуктов. Выбор объектов исследования, в частности корней алтея аптечного, авторы объясняют тем, что арахис содержит больше жира, а попкорн и алтей – углеводов.

«Тепловой эффект сгорания топлива». В данной работе предлагается сравнить калорийность парафина и этанола как топлива на основании анализа зависимости температуры нагреваемой в калориметре воды от времени горения парафиновой свечи и спиртовки.

Для каждой практической работы представлена общая информация, где кратко изложены теоретические представления об изучаемых явлениях. Перечислено необходимое оборудование и реактивы, подробно описан монтаж экспериментальной установки, причем описание, как правило, сопровождается иллюстрациями. Даны советы, как настраивать параметры регистратора и датчиков, как проводить эксперимент, как анализировать экспериментальные данные. В заключение приведены вопросы, позволяющие оценить степень усвоения полученных знаний, и представлены дополнительные задания различного уровня сложности для закрепления и обобщения материала.

В настоящее время учителя активно используют ЦЛ, как правило, только для внеурочной деятельности школьников, в частности, для организации проектной формы работы. Ограничение применения ЦЛ на уроках, по нашему мнению, обусловлено следующими причинами:

• жесткие временны'е рамки урока;

• практически полное отсутствие количественного химического эксперимента в базовых учебных программах;

• превалирование иллюстрирующего химического эксперимента, недостаточное внимание к проблемному, поисковому и исследовательскому эксперименту на уроках;

• недостаточная оснащенность кабинетов химии (так, для проведения 9 работ из 15 предложенных требуется магнитная мешалка, которая не поставляется вместе с основным оборудованием лаборатории; для организации работ по химическому катализу и газовым законам требуется датчик давления, который входит в комплект ЦЛ только для кабинета физики;

• использование понятий, содержание которых существенно выходит за рамки Государственного образовательного стандарта (базовый уровень), например: «водородный показатель, pH», «понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой кристаллизации чистого растворителя, криоскопия», «эфиры ароматических гидроксикислот, фенилсалицилат».

Несмотря на указанные проблемы, с каждым годом растет число школ, в образовательный процесс которых внедряются современные технические средства обучения, в том числе и ЦЛ. Появляются интернет-сообщества учителей, которые активно делятся своим опытом работы, методическими решениями и находками, например «Школа информатизации» (http://learning.9151394.ru), «Сеть творческих учителей» (http://www.it-n.ru). Организуются экспериментальные площадки в Москве (http://www.9151394.ru/projects/arhimed/arhim1), Санкт-Петербурге (http://project-cabinet.narod.ru ) и других городах. Проводятся конкурсы методических разработок с использованием ЦЛ (http://9151394.ru/projects/arhimed/arhkonkurs080212.ahtml).

Наши наблюдения, анализ работы и отзывов учителей позволили выявить ряд преимуществ применения ЦЛ в школьном химическом образовании по сравнению с традиционной формой проведения школьного химического эксперимента:

• наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;

• возможность хранения и компьютерной обработки результатов эксперимента, измерений;

• возможность сопоставления данных, полученных в ходе различных экспериментов;

• сокращение времени эксперимента;

• возможности для индивидуализации обучения, учета психолого-педагогических особенностей каждого школьника при организации проектной деятельности.

Вместе с тем в ходе исследования были выявлены существенные проблемы:

• появляется опасность переключения внимания школьников с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами;

• происходит подмена учебных целей: вместо изучения явления – регистрация данных;

• возможно снижение эффективности самостоятельной работы школьника, поскольку все «рутинные» вычисления и построения, во время которых проходит очень важное осмысление и переосмысление полученной информации, проводит компьютер;

• возникает «эффект черного ящика»: ученику не известен принцип работы датчиков, и, соответственно, ему сложно установить причинно-следственные связи между наблюдаемым явлением и графиками на экране;

• систематическое применение ЦЛ на уроках может привести к угасанию «эффекта новизны», т.е. к постепенному снижению изначально высокого познавательного интереса к работе с ЦЛ.

Мы попытались выявить условия эффективности применения ЦЛ на уроке. Ключевым элементом химического образования является химический процесс, при его экспериментальном изучении может возникнуть проблема, для решения которой потребуется применение инструментальных методов анализа, в том числе датчиков ЦЛ. Необходимо понимание того, что ЦЛ – современное и эффективное средство обучения, но не его цель.

В качестве иллюстрации рассмотрим вариант обобщающего урока в 8-м классе по теме

«Кислоты и основания».

Цель урока. Формировать умения школьников определять кислоты и основания в растворах с помощью индикаторов и pH-метра; обобщить их знания о кислотах и щелочах.

Очевидно, в 8-м классе достаточно сформировать представление о водородном показателе только на качественном уровне, не вдаваясь в подробности физического смысла числовых значений.

Э т а п ы   у р о к а

I. Организационный момент (1 мин.).

II. Получение новых знаний (9 мин.).

III. Химический эксперимент с различными индикаторами, закрепление знаний (12 мин.).

IV. Проблемная ситуация (1 мин.).

V. Эксперимент с ЦЛ (12 мин.).

VI. Подведение итогов, закрепление нового материала, рефлексия (10 мин.).

Х о д   у р о к а

На первом этапе определяются цели и задачи урока, в ходе краткой эвристической беседы актуализируются знания школьников о кислотах и основаниях.

На втором этапе восьмиклассники выступают с сообщениями об индикаторах. При подготовке используются материалы Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов (http://school-collection.edu.ru ). В своих небольших докладах, сопровождаемых электронными презентациями, ребята рассказывают о первом индикаторе из гелиотропа (Heliotropium Turnesole) – душистого растения с темно-лиловыми цветками, трудах французского химика П.Поме, о работах знаменитого физика и химика XVII в. Р.Бойля, немецкого ученого М.Валентина [3]. Особое внимание уделяется использованию индикаторов, которые можно приготовить самостоятельно из растительного сырья [4, 5].

Третий этап урока включает проведение лабораторных опытов, в ходе которых школьники определяют среду в чистой воде, растворах кислот (HCl, H₂SO₄), щелочей (NaOH, KOH) и солей (NaCl, Na₂SO₄). В первом опыте используются растворы индикаторов, выданные учителем: лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Во втором – растворы индикаторов, которые восьмиклассники выделили дома самостоятельно из различных объектов (черники, краснокочанной капусты, черной смородины, лепестков фиалки) при подготовке к уроку.

На этом же этапе урока предлагается решить экспериментальную задачу – определить, в какой из выданных пробирок находятся растворы кислоты и щелочи. Для решения данной задачи ученики могут использовать любые индикаторы, в том числе и те, которые они принесли из дома.

На четвертом этапе учитель предлагает определить среду в смесях, имеющих интенсивную окраску: раствор кофе, крепко заваренный чай, томатный сок, вишневый компот, клюквенный морс. Как определить среду в растворе хлорного отбеливателя, разрушающего индикатор? Школьники приходят к выводу, что применение индикаторов не всегда эффективно, поэтому возникает необходимость искать новые возможности для определения среды в растворе. Учитель показывает, что можно использовать датчик кислотности – рН-метр – из набора ЦЛ.

Пятый этап – лабораторные опыты с применением ЦЛ. Восьмиклассники определяют среду, т.е. значение водородного показателя (pH) в чистой воде, растворах кислот, щелочей и солей с помощью стеклянного электрода. В ходе исследования учащиеся устанавливают, что нейтральные растворы имеют значение рН, близкое к 7, в кислых растворах рН меньше 7, а в щелочных – больше 7. Используя рН-метр, восьмиклассники определяют среду в тех растворах, для которых применение индикаторов было неэффективно.

На заключительном этапе ученикам предлагаются задания, нацеленные на прочное усвоение полученных сведений, включающие задания на воспроизведение и применение знаний в измененной ситуации.

П р и м е р ы  з а д а н и й

1) Метеослужба города зафиксировала выпадение дождевых осадков с pH = 2,5. Какую окраску примут известные вам индикаторы в такой дождевой воде?

2) Ученик решил исследовать раствор стирального порошка с помощью лакмуса. Однако выбранный индикатор незначительно изменил свою окраску. Как по-другому проверить, какая среда в исследуемом растворе?

3) Какой индикатор следует выбрать, чтобы обнаружить небольшую концентрацию щелочи в исследуемом растворе?

4) Окраска цветов гортензии в зависимости от кислотности почвы может изменяться: если pH почвы ниже 5,5, то цвет – голубой; если более 5,5 – розово-малиновый. Как это можно объяснить?

5) Как будет изменяться значение рН насыщенного водного раствора углекислого газа при нагревании?

Результаты письменного выполнения заданий, как правило, свидетельствуют о высокой степени усвоения знаний: 94% восьмиклассников успешно справляются с вопросами на воспроизведение изученного материала, а 85% – с вопросами, требующими применения знаний в измененной ситуации.

По окончании урока ученикам предлагается ответить на вопрос, какой из проведенных опытов понравился им больше всего. Можно выбрать только один вариант ответа:

• опыт 1 «Изменение окраски индикаторов (лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина) в растворах кислот, щелочей и солей»;

• опыт 2 «Изменение окраски индикаторов, самостоятельно выделенных из растительных объектов, в растворах кислот, щелочей и солей»;

• опыт 3 «Экспериментальная задача. Идентификация выданных растворов с помощью индикаторов»;

• опыт 4 «Определение значения рН в растворах кислот, щелочей и солей с помощью рН-метра»;

• опыт 5 «Определение значения рН в интенсивно окрашенных растворах с помощью рН-метра»;

• не понравился ни один из перечисленных опытов.

Результаты подобного опроса на одном из уроков с использованием ЦЛ представлены на диаграмме (рис.).

Таким образом, полученные результаты исследования могут свидетельствовать об эффективности применения ЦЛ на уроке химии в 8-м классе. Использование технического средства обучения нового поколения – ЦЛ – позволило добиться высокого уровня усвоения знаний, а схема построения урока помогла отчасти преодолеть выявленные проблемы.

П р и м е ч а н и е. Для чтения статей [см. 4, 5] в формате djvu необходимо установить специальную программу. Можно воспользоваться бесплатной услугой компании Celartem Technology, которая свободно распространяет DjVu Browser Plug-in (LizardTech).

Для этого нужно:

1) перейти на сайт компании www.celartem.com;

2) выбрать раздел «Downloads» (в верхней части окна, посередине);

3) кликнуть по ссылке DjVu Browser Plug-in или по картинке слева «LizardTech DjVu Plug-in»;

4) если вы постоянно пользуетесь браузером Internet Explorer, то проще выбрать первый вариант, который предполагает автоматическую установку (Download Option 1): перейти по ссылке «DjVu Browser Plug-in Auto Install – Internet Explorer», установить переключатель на удобный язык (английский выбран по умолчанию) и нажать на кнопку «Auto Install Now»;

5) если вы пользуетесь разными браузерами, то для вас – второй вариант (Download Option 2), который включает скачивание программного файла и его последующую установку.

Чтобы найти указанные статьи и не ошибиться, вводя длинные адреса, можно воспользоваться поиском по серверу Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов (scholl-collection.edu.ru), для этого нужно перейти на главную страницу и ввести в поле для поиска фамилию автора и название статьи.

Л и т е р а т у р а

1. Апухтина Н.В., Федорова Ю.В., Панфилова А.Ю. Цифровые естественнонаучные лаборатории на уроках химии. ИТО-2007 (http://ito.edu.ru/2007/Moscow/II/1/II-1–7207.html).

2. Цифровая лаборатория «Архимед». Методические материалы. М.: Институт новых технологий, 2007, 376 с.

3. Леенсон И.А. Индикаторы. Энциклопедия «Кругосвет» (http://www.krugosvet.ru/articles/104/1010410/1010410a1.htm, http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/
16cea86c-b640-3093-aafe-e25672005039/1010410A.htm ).

4. Черняк И. Растения-индикаторы. Наука и жизнь, 1963, № 9, с. 11 (http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/ 6f356837–7ec9–4587-af26-d4682191fa63/1963_09_011_chem.djvu).

5. Арзамасцев К. Индикатор из лепестков. Химия и жизнь. 1979, № 3, с. 61 (http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/623b5119–0069–8966–92dd-8677e452724c/61_03_1979.djvu ).

М.В.ДОРОФЕЕВ,
кандидат химических наук,
доцент кафедры методики
преподавания химии
Московского института открытого
образования;
А.И.ЗИМИНА, учитель
средней школы № 1287
(Москва)