Исследовательская
деятельность учащихся в процессе
экологического образования

Ничто так не пробуждает дремлющие способности человека, как возможность непосредственного их применения. Иными словами, без использования в жизни никакое знание не имеет цены и не дает ожидаемых результатов. В экологическом образовании школьников это особенно важно, т.к. основным критерием сформированности экологической убежденности является способность личности к конкретным конструктивным действиям в области охраны и улучшения природного окружения. Основа таких действий – умение анализировать экологические ситуации, принимать решения, моделировать «отклик» природной среды на природозащитные мероприятия.

Одной из форм организации деятельности учащихся, позволяющей максимально приближать обучение к жизни, является исследовательская работа, в процессе которой они встречаются со всем многообразием фактов и явлений жизни. Школьники сами или с помощью учителя отбирают нужные им данные из наблюдений, литературных источников, результатов экспериментов.

Исследовательскую деятельность по экологическим проблемам целесообразно включать в учебный процесс только тогда, когда учащиеся достаточно свободно могут ориентироваться в определенной системе знаний, что повышает долю их самостоятельности в выполнении экспериментов.

Исследовательскую работу можно организовать по плану.

1) Анализ содержания учебного, а также экологического материала, рассматриваемого в данной теме курса химии или связанного с ним.

2) Постановка проблемы.

3) Формулирование целей и задач исследования.

4) Планирование эксперимента на основе теоретических и практических знаний и умений (работа с литературными источниками, подбор оборудования, реактивов, объектов исследования).

5) Организация проведения эксперимента (время, место).

6) Наблюдения. Необходимая корректировка эксперимента.

7) Анализ результатов исследования. Обсуждение.

8) Формулирование выводов.

9) Оформление результатов работы.

10) Выступление перед учащимися класса, на заседаниях научного общества школы.

При подготовке к исследовательской работе основное внимание я уделяю анализу учебного и экологического содержания материала. Оно должно отвечать следующим требованиям:

а) новая информация не должна преобладать над опорными знаниями;

б) отобранный материал должен быть для учащихся значимым (в этом случае поддерживается стабильный интерес, и знания учащихся закрепляются);

в) учебный материал должен содержать в себе проблему, которая фактически становится основой эксперимента.

Следующим важным моментом в организации исследовательской работы является оценка имеющихся знаний и умений учащихся и в связи с этим определение соотношения деятельности учителя и ученика. Стараюсь помочь учащимся проводить теоретический анализ содержания, выделять вопросы, которые могут быть использованы для постановки проблемы, намечать пути экспериментального подтверждения сформулированной гипотезы. Обязательно указываю основные литературные источники, объясняю, как провести те или иные расчеты и оформить результаты исследования.

В курсе химии заложены большие потенциальные возможности для постановки исследовательской работы экологического характера. Круг проблем может быть обширным: исследование воды, воздуха, почвы на содержание в них загрязнителей; изучение влияния избытка и недостатка минеральных удобрений на рост растений, нефти и нефтепродуктов на жизнедеятельность организмов и т.д. (схема).

Исследовательская деятельность включает в себя не только лабораторную практику, но также и натурные наблюдения. Важными воспитательными моментами являются участие школьников в практической деятельности и обсуждение полученных результатов на уроке перед аудиторией, а также на научно-практических конференциях.

На примере отдельных тем курса химии рассмотрим некоторые варианты исследовательской работы учащихся.

Тема «Кислород»

При изучении данной темы стараюсь решить ряд воспитательных задач: подвести учащихся к восприятию здоровья человека как общественной ценности; научить оценивать масштабы любого загрязнения окружающей среды и предвидеть возможные последствия этого явления для природы и человека.

Понятия о физических и химических свойствах кислорода, областях его применения, о составе воздуха непосредственно связаны с экологическими понятиями о биосфере, ее функциях (целостности, взаимозависимости и взаимообусловленности живого и неживого на Земле), с биогеохимическим представлением о круговороте кислорода в природе, на примере которого показывается не только всеобщая связь явлений, но и взаимосвязь проблем охраны окружающей среды и научно-технического прогресса. Раскрывая роль кислорода в жизни организмов и в сохранении природного равновесия, внимание учащихся акцентирую на изменениях, возникающих в биосфере в процессе хозяйственной деятельности человека. Эти изменения вызваны, прежде всего, чрезмерным расходованием кислорода на нужды народного хозяйства (сжигание всех видов топлива и отходов производства, синтез различных веществ и др.).

Для доказательства роли кислорода в жизни проводим несложные о п ы т ы по проращиванию и дыханию семян и фотосинтезу комнатных растений, используя материал учебника «Ботаника» для средней школы. Проращивание семян (пшеницы, фасоли, редиса, гороха), наблюдения за ростом и развитием растений (фиалка, хлорофитум) проводятся в условиях чистого и сильно запыленного воздуха. Имитировать неблагоприятные условия можно при помощи миниатюрного пылесоса. Под тягой в химическом кабинете устанавливаем комнатные растения, стаканчики с семенами (во влажной среде), накрываем (в виде купола) полиэтиленовой пленкой с отверстиями для воздуха или марлей, под которую нагнетаем пыль из пылесоса. Наблюдения проводим в течение 5–7 дней. Учащиеся наблюдают за изменением скорости роста как комнатных растений, так и проростков (всхожести семян), а также за последствиями интенсивной запыленности атмосферы – конечными результатами эксперимента. Результаты сравниваем с контрольными (в условиях чистого воздуха) и оформляем в виде кратких отчетов, фотографий. Растения и проросшие семена демонстрируем на уроке при обсуждении проблемы охраны атмосферного воздуха. Учащиеся наглядно убеждаются в необходимости сохранения его чистоты и оценивают проводимые в нашей стране природоохранные мероприятия, понимают важность озеленения городов и промышленных районов.

Другим вариантом исследовательской работы могут стать натурные наблюдения за растительностью в зеленой зоне города и в сильно запыленных и загазованных районах (вблизи заводов, автострад). Учащиеся класса распределяются по группам. Первая группа проводит наблюдения за цветковыми растениями, вторая – за кустарниковыми, третья – за лиственными породами деревьев, четвертая – за хвойными породами деревьев, пятая — за растениями водоемов. Наблюдения ведут вблизи промышленного предприятия на расстоянии 500, 1000, 1500 и 2000 м. Фиксируют следующие показатели: внешний вид растений, запыленность листьев, цвет, окраска зеленых частей растений, высота растений, размеры листьев, цветков, колосков, состояние корневой системы. Результаты опытных наблюдений сравниваем, оформляем в виде таблиц, графиков, рисунков, фотографий, гербариев и представляем на обсуждение на заключительном уроке по химии в конце учебного года. Такую работу можно предложить учащимся в качестве летнего задания (провести наблюдения за растениями на даче, пришкольном участке, в местах отдыха). Полученный материал использую при проведении элективного курса «Химия и экология», а также интегрированных уроков химии и биологии.

В течение последних лет проводим с учащимися анализ химического загрязнения атмосферы города Дальнереченска. На территории города и района 259 организованных источников загрязнения атмосферного воздуха, 74 из них оснащены системами пылегазоочистки, что составляет 28,5 %. Крайне низкая обеспеченность источников загрязнения атмосферного воздуха системами пылегазоочистки связана с недостаточностью финансирования. На территории города лабораторный контроль за состоянием атмосферного воздуха не проводится. Чтобы наш город был экологически чистым, необходимы финансовые вложения. Также необходимо прекратить вырубку зеленой зоны в центре города, а при строительстве в городе необходимо заранее планировать зеленые насаждения.

Тема «Вода. Растворы»

При изучении этой темы раскрываю роль воды в сохранении единства и целостности окружающего мира. В связи с этим большое внимание уделяю вопросам влияния хозяйственной деятельности человека на круговорот воды и изменение основных показателей водной среды в связи с ее загрязнением; действия загрязнений на обитателей водоемов, защиты водных источников от загрязнения.

Исследовательскую работу провожу по трем направлениям:

1) роль воды в питании растений;

2) сравнение чистой и загрязненной воды по некоторым параметрам: цвет, запах, прозрачность, рН среды, наличие осадка после отстаивания;

3) влияние загрязненной воды на рост и развитие растений; на обитателей водоема (модельный опыт с аквариумом).

Загрязненную воду для исследования берем из какого-либо источника вблизи промышленного предприятия или непосредственно с его территории, около автострады, проводим анализ атмосферных осадков. В зимний период для наблюдений используем снеговую воду.

Качество воды определяется по следующей методике.

Для оценки прозрачности воды используем стеклянную трубку (или бюретку) с делениями, диаметром 3 см и длиной 50 см. На дно трубки кладем пластинку (фарфоровую или из белой пластмассы) с нанесенным на ней черным несмывающимся крестом. Перед замером воду взбалтываем. Прозрачность, зависящую от количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения, определяем высотой столба воды в трубке (в см), сквозь который просматриваются контуры креста.

Запах воды зависит от биологических и химических загрязнителей. Воду наливаем в плоскодонную колбу с широким горлом. Качество запаха определяем эпитетами: хлорный, землистый, рыбный, травяной, болотный, сероводородный, гнилостный. Силу запаха выражаем по 5-балльной системе:

1 балл – запаха нет или очень слабый (запах обычно не замечается);

2 балла – запах слабый (обнаруживается, если на запах обратить внимание);

3 балла – запах заметный (легко замечаемый и вызывающий неодобрительные отзывы о воде);

4 балла – запах отчетливый (вызывающий воздержание от питья);

5 баллов – запах очень сильный (настолько сильный, что вода совершенно непригодна для питья).

Для характеристики реакции среды используем универсальную индикаторную бумагу, сравниваем с эталоном – чистой водой. Если исследуемая вода мутная, то ее предварительно фильтруем.

Проведем о п ы т ы. Исследуем влияние загрязненной воды на рост и развитие растений; на обитателей аквариума. В течение 7–10 дней комнатные растения поливаем водой, содержащей какие-либо загрязнители. В опыте с аквариумом загрязненную воду добавляем ежедневно небольшими порциями (10 мл) и наблюдаем за поведением рыб, моллюсков, за развитием растений, за изменением качества воды. В отдельную емкость наливаем загрязненную воду и помещаем в нее несколько веточек растений из аквариума. Наблюдения проводим в сравнении с контрольными (в условиях чистой воды) растениями, рыбами, моллюсками.

В опыте по питанию растений, иллюстрирующем значение воды в жизни организмов и ее функции, используем материал учебника по предмету «Ботаника». Учащиеся отвечают на следующие вопросы.

1) Как питательные вещества попадают в растения?

2) Как происходит перемещение веществ в растениях?

3) Каким путем могут проникнуть в растения загрязнители?

4) Какие последствия они могут вызвать?

5) Какие природоохранные мероприятия вы можете предложить для сохранения растительного мира?

Предлагаю учащимся смоделировать в лабораторных условиях защитные мероприятия и проследить последствия их реализации для живых объектов. К таким мерам можно отнести очистку воды (выведение определенных ионов из раствора), нейтрализацию веществ, фильтрование, обработку озоном, хлором и др.

В процессе исследовательской работы учащиеся решают различные качественные задачи, отвечают на вопросы как с познавательной целью, так и с целью закрепления знаний.

1) На каких свойствах воды основано использование ее человеком?

2) Почему загрязнение водоисточников опасно для человека, для природы в целом?

3) Какие процессы лежат в основе самоочищения водоемов в природе?

4) Вода является возобновимым ресурсом. Как вы это понимаете? Почему в настоящее время говорят об истощении природных водоисточников?

5) В 2 км от сернокислотного завода находилось озеро. Завод загрязнял атмосферу сернистым газом. Через несколько лет озеро превратилось в болото, в нем не стало рыбы и многих видов растений. Как это объяснить? Какие химические процессы вызвали изменение экосистемы? Как можно было бы спасти озеро?

6) Какие пути решения водной проблемы вам известны? Какому из них отдается предпочтение и почему?

Тема «Периодическая система
химических элементов Д.И.Менделеева»

Изучение темы связываю с раскрытием роли периодического закона применительно к биологическим процессам, протекающим в природе, а также с мировоззренческими аспектами взаимодействия живой и неживой природы при формировании химического состава среды и живых организмов. Учащихся подвожу к пониманию единства и целостности окружающего мира, объясняю, что количественное содержание тех или иных химических элементов в живом организме находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс, знакомлю с понятием «биогенные элементы». Вместе с учащимися определяем место биогенных элементов в периодической системе, рассматриваем их биологическую роль в организмах на основании качественных и количественных характеристик.

При сравнении биогенных элементов с их аналогами (в подгруппах) устанавливаем зависимость биохимических свойств элементов от изменения заряда ядра, радиуса их атомов и относительной атомной массы. От этих параметров зависит доля участия химических элементов в обмене веществ, а также их токсичность. Так, элемент углерод является элементом жизни, содержание его в организме равно 21 %, а соединения свинца являются ядами для большинства организмов, и содержание свинца равно около 10^–6 %. Аналогичную закономерность можно проследить и на элементах других подгрупп.

В этой же теме формирую понятие и о биологической взаимозаменяемости химических элементов, приводящей в ряде случаев к серьезным нарушениям в живых организмах. Так, замена небольшой части ионов калия и натрия на литий в организмах животных и человека вызывает расстройство нервной системы, поскольку изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах и клетка не проводит нервный импульс. Кальций при его недостатке в пище может заменяться на стронций. Кристаллическая решетка гидрофосфата стронция имеет иную структуру по сравнению с решеткой гидрофосфата кальция, и поэтому стронций легко вымывается из костной ткани, что приводит к рыхлости и хрупкости костей. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, который накапливается в местах ядерных взрывов. Этот радиоактивный изотоп вызывает облучение костного мозга, что приводит к заболеванию лейкемией, или белокровием.

С учетом приведенной выше информации планирую исследовательскую работу, например ставлю перед учащимися проблему: «Магний – элемент II группы главной подгруппы, является основой зеленого пигмента хлорофилла. В питательной среде, на которой выращивается растение, отсутствуют ионы магния, вместо них в растворе присутствуют ионы кальция. Вызовет ли это какие-либо последствия? Если да, то какие и почему?»

В опытах по биологической взаимозаменяемости элементов растения выращиваем методом гидропоники (в водном растворе, без почвы). Учащиеся самостоятельно рассчитывают необходимую концентрацию солей, готовят растворы, а затем проводят наблюдения. Вместо солей кальция можно взять соли бария или стронция (тем интереснее будут наблюдения учащихся).

Токсичность элементов исследуем на примере действия солей свинца, накапливающихся в больших концентрациях вдоль автострад в почве (тетраэтилсвинец является присадкой к топливу), или солей ртути. Учащиеся по литературным источникам подбирают материал о причинах загрязнения биосферы токсичными элементами и о мерах, направленных на предупреждение этого нежелательного для природы процесса.

Проводятся также и натурные наблюдения на улицах города за состоянием деревьев хвойных пород, которые особенно чувствительны к соединениям свинца. Наблюдения оформляют в виде письменных отчетов, снабженных фотографиями или рисунками. Учащиеся также проводят анализ образцов почв на присутствие в них ионов свинца (качественная реакция). В опытах с комнатными растениями можно использовать не специально приготовленный раствор, содержащий ионы свинца, а вытяжку – почвенный раствор из образцов. В этом случае результаты опытов становятся более убедительными и доказательными.

В 2005/06 учебном году собранный материал использовала при разработке элективного курса «Металлы в окружающей среде и здоровье человека», который был успешно апробирован в профильном десятом химико-биологическом классе. При проведении занятий использовала системную диагностику лечения нарушений минерального обмена доктора А.В.Скального, этот метод применяется в краевом центре матери и ребенка города Владивостока. Итогом изучения данного элективного курса стали защиты учащимися рефератов по следующим темам: «Химические свойства тяжелых металлов и их действие на организм человека», «Химические свойства ртути и техника безопасности при работе с ней», «Исследование свойств хрома и его соединений», «Использование металлов для создания шедевров мирового искусства», «Железо и процессы дыхания в живых организмах», «Элемент жизни. Марганец и его соединения».

Тема «Производство серной кислоты»

При изучении темы определяем влияние сернистого газа на растительные организмы и экосистему в целом. В опыте имитируем процесс образования кислотных дождей, которые стали часто наблюдаться в природе из-за загрязнения атмосферы оксидами серы, азота и другими соединениями, растворы которых дают кислую реакцию.

Под полиэтиленовую пленку с отверстиями для воздуха помещаем комнатные растения, проросшие зерна пшеницы и небольшой аквариум с обитателями (как модель экологической системы). Рядом укрепляем пробирку с концентрированным раствором сернистой кислоты (или с концентрированной серной кислотой и медной проволокой). Наблюдения проводятся в течение 7 дней. Учащиеся-химики исследуют воду аквариума и почву (ее верхний слой) на кислотность, запах, цвет, определяют примерную концентрацию диоксида серы под пленкой, составляют график зависимости роста и развития растений от концентрации этого оксида. Учащиеся-биологи проводят наблюдения за изменением внешнего вида растений, поведением рыб и моллюсков в аквариуме. Учащиеся-географы по литературным источникам собирают материал о районах планеты, наиболее загрязненных соединениями серы, о миграции соединений в другие области, о случаях гибели природных экологических систем, о природоохранных мероприятиях, направленных на защиту окружающей среды от оксидов серы и сероводорода. По результатам исследований учащиеся делают вывод о пагубном влиянии диоксида серы на живые организмы, предположение о возможном нарушении природного равновесия и последствиях такого нарушения в местах, где концентрация диоксида серы в атмосфере превышает предельно допустимые нормы. Результаты исследований представляются и обсуждаются в классе при ознакомлении учащихся с природоохранными мероприятиями в сернокислотном производстве, а также на научно-практических конференциях.

Определенный интерес вызывают и теоретические исследования некоторых проблем. Например, последствия замены серы на селен. Селен входит в состав серосодержащих руд и выделяется в атмосферу при обжиге руды. Селен может заменять серу в аминокислотах (метионине, цистеине, цистине) и включаться в обмен веществ. Избыток селена в растениях вызывает облысение овец и болезни копыт, выпадение перьев у птиц, нарушение координации движений у животных. Аналогичную теоретическую работу провожу по исследованию влияния на живые объекты соединений мышьяка. Другой вид отходов сернокислого производства – пиритный огарок. Огромные его количества занимают значительные территории ценных пахотных земель, сильно запыляют атмосферу, создавая тем самым серьезную угрозу для здоровья человека. Учащиеся-химики определяют, какие соединения выщелачиваются из пиритных огарков под действием атмосферных осадков, какое воздействие могут оказывать эти вещества на живую природу. Учащиеся сами планируют и разрабатывают методику эксперимента, используя приобретенные знания и умения, я стараюсь выступать в роли консультанта.

Тема «Теория электролитической диссоциации»

При изучении этой темы знакомлю учащихся с ионообменными процессами, протекающими в живой и неживой природе, их взаимосвязью, с биогеохимическим круговоротом веществ на ионном уровне, с причинами, вызывающими изменения и нарушения в этих круговоротах. В результате деятельности человека перемещение многих веществ ускоряется настолько, что их круговороты становятся незавершенными и, как следствие, создается опасная ситуация: в одних местах вещества накапливаются в больших концентрациях, а в других ощущается их острая нехватка. Поскольку влияние веществ на живой организм может быть различным в зависимости от концентрации, то последнее может привести к нежелательным для природы последствиям.

Миграция веществ в природе в основном происходит на ионном уровне. В данной теме стараюсь углубить знания учащихся об ионах, поэтому на более высоком теоретическом уровне мы рассматриваем строение молекулы воды, объясняем ее растворяющую способность. Также даю понятие о водородной связи и показываю ее влияние на свойства воды, раскрываю значение воды для жизни на Земле (роль воды как активной внутренней среды организма и как непосредственного участника многих биохимических процессов).

Живые организмы усваивают минеральные вещества в основном в виде ионов, что создает определенную концентрацию веществ в клетках и межклеточной жидкости и делает возможным перемещение воды и некоторых растворенных в ней веществ в организме. Растворимость минеральных веществ изменяется в зависимости от температуры, кислотности и присутствия других растворенных веществ. Поглощение одного иона зависит от присутствия других ионов, в присутствии легкопоглощаемого аниона катионы той же соли поступают в клетку быстрее. Ионы с одинаковым зарядом обычно конкурируют между собой. Однако в некоторых случаях наблюдается противоположная закономерность. Так, при наличии в среде растворимых фосфатов поглощение нитратов ускоряется. Значительную роль в поглощении питательных веществ играет концентрация ионов водорода (рН). Показано, что при подкислении раствора поступление катионов задерживается (конкуренция одноименно заряженных ионов). Большое увеличение кислотности почвы может сильно тормозить рост и отрицательно действовать на живые организмы. В кислой среде хорошо мигрируют многие металлы, особенно в комплексе с органическими соединениями, поэтому кислые почвы обедняются подвижными элементами, которые становятся дефицитными для растений и животных.

Приведенный выше материал использую как основу для постановки исследовательских работ учащихся: причины и последствия засоления почв, их эрозия; эвтрофикация (обогащение органическими веществами) водоемов, приводящая к смене биоценозов; проникновение загрязнителей в растительные организмы и другие; проводятся также натурные наблюдения, связанные с теми же проблемами. Объектами в лабораторных исследованиях служат комнатные растения, аквариум, проростки семян, растения, выращенные методом гидропоники, а также опытные делянки пришкольного участка. В опытах с засолением почвы используем комнатные растения, которые обильно поливаем питательным раствором, содержащим повышенные дозы карбоната и сульфата натрия (именно эти соединения в большей степени вызывают засоление). Через 7–10 дней полив прекращаем и наблюдаем в течение недели за состоянием почвы и внешним видом растений. (На поверхности почвы выступает избыток солей, появляются трещины, а растения теряют упругость листьев.)

Для закрепления приобретенных знаний предлагаю учащимся следующие вопросы и задачи.

1) Растения могут поглощать вещества только из слабых почвенных растворов, поэтому питательные смеси готовят так, чтобы в литре воды минеральных солей содержалось от 1 до 3 г. Определите массовую долю минеральных солей, если в растворе массой 1 кг содержание солей а) 1 г, б) 3 г.

2) Почему избыток в организме бромид-ионов препятствует поступлению йодидов, вызывая тем самым угнетение функции щитовидной железы?

3) Фтор поступает в организм человека с продуктами питания и водой. В некоторых районах содержание фторидов в питьевой воде в пересчете на фторид натрия составляет 2 мг/л. Считая, что человек в среднем потребляет в сутки 2 л воды, вычислите массу фтора, вводимую ежедневно в организм человека. Напишите уравнение диссоциации фторида натрия и укажите, в каком виде фтор поступает в организм. К чему может привести избыток фтора в организме человека?

Тема «Подгруппа азота»

Эта тема является одной из самых благодатных в плане постановки исследовательской работы по химии. При изучении аммиака и оксидов азота предлагаю учащимся выяснить влияние этих веществ на растения. Опыты проводим аналогично тому, которым проиллюстрировано действие оксида серы(IV) на растения.

Помимо наблюдений за растениями предлагаю учащимся решить проблему обезвреживания оксида азота(IV) с целью предотвращения попадания его в атмосферу через тягу в кабинете химии во время демонстрации соответствующих опытов. Как правило, учащиеся справляются с этой задачей, предлагая проводить поглощение оксида азота(IV) водой с последующей нейтрализацией полученного раствора щелочью; поглощение газа раствором щелочи или соды. Предлагаю учащимся в лабораторных условиях опробовать промышленный метод обезвреживания оксидов азота – поглощение его водными растворами аммиака и карбоната аммония. В этом случае оксиды азота реагируют с водным раствором аммиака с образованием нитрита аммония – нестойкого соединения, разлагающегося с выделением воды и элементарного азота – экологически безвредных веществ.

Тема «Минеральные удобрения»

Изучение темы заканчиваю обобщающим межпредметным уроком-семинаром с условным названием «Минеральные удобрения и охрана окружающей среды». Одним из этапов подготовки к такому семинару может быть исследовательская работа. Для ее организации формируются две группы «биологов» и группа «химиков».

Первая группа «биологов» изучает влияние удобрений (азотных, фосфорных, калийных, микроудобрений) на рост и развитие растений – закладывает опыты по проращиванию зерен пшеницы в различных условиях:

а) при нормальных, заниженных и завышенных дозах удобрений в почве;

б) при исключении из питательных растворов какого-либо питательного элемента (микро- или макроэлемента), необходимого для развития растений. В каждом случае опытный образец сравнивается с контрольным.

Вторая группа «биологов» изучает влияние избытка удобрений на водную экосистему. Моделью такой системы служит аквариум, в котором находятся водные растения, моллюски, дафнии. В опыте имитируется смыв удобрений с полей во время паводков и обильных дождей. С этой целью из небольшого ящика с растениями аккуратно снимается верхний слой почвы, предварительно обогащенный минеральными удобрениями. Почву помещают в колбу, заливают чистой водой (можно дистиллированной), взбалтывают и отстаивают. Затем воду с растворенными в ней солями добавляют в небольшом объеме (10–15 мл) в аквариум. Наблюдения за обитателями аквариума проводятся в течение 5–7 дней.

Группа «химиков» проводит качественный и примерный количественный анализ воды из аквариума до начала эксперимента и после его окончания (рН, присутcтвие различных ионов). Предложенный опыт имитирует также эвтрофикацию водоемов и зарастание в природных условиях, приводящих к дефициту кислорода в воде, замору рыб и «цветению» воды. Все перечисленные последствия наблюдаются и в условиях опыта.

Постановка исследовательской работы в данной теме углубляет представления учащихся о роли макро- и микроэлементов, о составе почвенных растворов, о поглотительной способности почвы (физико-химической природе поглощения катионов и анионов), о механизме питания растений, о двойственной роли минеральных удобрений по отношению к природной среде. Акцентирую внимание учащихся на том, что несоблюдение научно обоснованных принципов и приемов работы с минеральными удобрениями приводит к нарушению сложившихся природных циклов оборота веществ, ухудшению качества самих удобрений (разложение химикатов и выделение нежелательных продуктов в атмосферу), вымыванию удобрений из почвы, минерализации грунтовых и поверхностных вод.

Для закрепления приобретенных знаний предлагаю следующие задания.

1) В виде каких ионов усваиваются растениями азот, фосфор? Напишите уравнения диссоциации веществ, образующих эти ионы.

2) Допустимая концентрация азотной кислоты в сточных водах составляет 30–35 мг/л. Вычислите массовую долю азотной кислоты в таком растворе (плотность раствора можно принять равной 1 г/мл).

3) Как можно объяснить, что вблизи заводов по производству азотной кислоты почва и вода в водоемах сильно закислены? Приведите уравнения реакций, иллюстрирующих этот факт. Какие вы могли бы предложить способы предупреждения этого нежелательного процесса?

4) При среднем урожае пшеницы за один сезон с 1 гектара выносится до 75 кг азота. Какая масса нитрата аммония может возместить такую потерю, если учесть, что около 20 % азота, необходимого для питания растений, возвращается в почву в результате естественных процессов?

5) Как будет изменяться кислотность почв при использовании в качестве удобрений сульфата аммония, нитрата кальция, нитрата аммония? Ответ мотивируйте.

6) Укажите причины, вызывающие засоление почв. Какую опасность представляет это явление?

7) Назовите основные пути решения природоохранных проблем при интенсификации химизации сельскохозяйственного производства.

8) Чем объяснить, что в природе всегда примерно одинаковое количество связанного азота, хотя азот с трудом вступает в химические реакции, но легко выделяется из соединений? Как может хозяйственная деятельность человека нарушить такое равновесие?

Тема «Общие свойства металлов»

При изучении этой темы исследовательская работа может быть связана с раскрытием двойственного влияния ионов металлов на природу в зависимости от их концентрации в окружающей среде. Другим направлением исследовательской работы может стать выяснение влияния продуктов коррозии на водную растительность. Коррозия металлов рассматривается и как результат, и как фактор загрязнения окружающей среды, а меры предупреждения коррозии расцениваются как один из путей охраны природы.

В процессе теоретической подготовки учащиеся узнают, что ионы металлов являются непременными участниками биохимических процессов, стимулируют и нормализуют обмен веществ, участвуют в кроветворении, оказывают положительное действие на рост и размножение, на иммунобиологическую активность организмов и продолжительность жизни, участвуют в создании определенной ионной концентрации в клетках, стабилизируют и активируют ферменты, обеспечивают протекание жизненных процессов в клетке, создавая разность потенциалов на поверхности клеточных мембран; с их помощью осуществляются многочисленные окислительно-восстановительные процессы в клетке (например, фотосинтез). Дополнительная информация помогает учащимся более осмысленно планировать исследовательскую работу, глубже проникать в наблюдаемые процессы.

Для эксперимента, доказывающего двойственное влияние ионов металлов на организмы, отбирают несколько растений хлорофитума, одно из которых служит контрольным. Опытные растения распределяют на две группы по три растения в каждой. В первой группе каждое растение получает минеральную подкормку с дефицитом какого-либо необходимого микроэлемента: одно – без меди, другое – без железа, третье – без цинка. Во второй группе каждое из трех растений получает ту же подкормку, но только с избытком соответствующего микроэлемента. Результаты наблюдений можно оформить в виде таблицы.

Таблица

Результаты наблюдений

Кроме этого учащиеся строят график зависимости роста растения от концентрации ионов металлов.

Методика проведения эксперимента по влиянию продуктов коррозии на растительные организмы следующая. В шесть майонезных банок помещают растения из аквариума и наполняют водой из того же аквариума. В четыре из них опускают железные гвозди, соединенные соответственно с кусочками цинка, олова, свинца, меди, а в пятую помещают только гвоздь; шестая банка является контрольной. До начала эксперимента проводится анализ воды на запах, определяется рН, наличие ионов трех- и двухвалентного железа (качественные реакции с роданидом аммония и красной кровяной солью), прозрачность, цветность. В процессе эксперимента отбирают 5 раз пробы на качество воды по тем же параметрам. Наблюдения проводят в течение 5 дней.

Через день в пробах с гальваническими па'рами начинается заметная коррозия (исключение составляет проба с парой железо–цинк). На 3-й день коррозия усиливается. На 5-й день эксперимента вода мутнеет, приобретает гнилостный запах; растения покрываются налетом в виде слизи или плесени. Анализ воды показывает изменение реакции среды: слабощелочная (железо–цинк); слабокислая (железо–олово); кислая (железо–свинец), сильнокислая (железо–медь). Во всех пробах наблюдается появление ионов трехвалентного железа. Несмотря на то что ржавчина отсутствует в пробе с парой железо–цинк, ионов трехвалентного железа в ней много (3–4 мг/л). Концентрация ионов трехвалентного железа в воде самая большая в паре железо–медь (около 10 мг/л). Учащиеся могут сделать вывод, что концентрация ионов железа и кислотность среды зависят от степени коррозии. Результаты эксперимента могут быть оформлены в виде графика.

Важным является то, что учащиеся, пользуясь таблицей «Химическая и электрохимическая коррозия» и применяя знания о гальванических элементах и электрохимическом ряде напряжений металлов, могут самостоятельно объяснить сущность электрохимической коррозии, указать причины ее возникновения и условия, способствующие усилению этого процесса. В сознании школьников фиксируются правила поведения вблизи водоемов, запрещающие сбрасывать в них металлические предметы, поскольку это грозит пагубными последствиями.

Тема «Металлургия»

При ознакомлении учащихся с этой темой имеется возможность организовать исследовательскую работу во время экскурсий на производство и продолжить ее затем в лабораторных условиях на базе собранного материала. Примерными заданиями могут быть: наблюдения за состоянием окружающей среды вблизи завода (запыленность, загазованность воздуха; почва – реакция среды, наличие в ней ионов металлов, неметаллов, почвенных организмов; качественный состав сточных вод, наличие растительности и ее внешний вид; анализ эффективности природоохранных мероприятий на данном заводе).

Так, результаты исследования образцов почвы и воды на территории алюминиевого завода указывают на повышенное содержание в них ионов фтора и алюминия. Растения, взятые с территории завода, чахлые, с плохо развитой корневой системой, с листьями желтовато-зеленого цвета. Очевидно, что, проводя такого рода работу, учащиеся делают выводы из наблюдений более осмысленно, а при обсуждении природоохранных мер стараются внести собственные предложения.

Задания для закрепления полученных знаний.

1) Как изменяется биогенная роль ионов металлов? Какие особенности в строении атомов металлов характерны для биогенных элементов?

2) Какие растворы солей при электролизе выделяют ядовитые и удушливые газы? Приведите примеры химических реакций, способных нейтрализовать эти продукты.

3) В разбавленных выщелоченных водах, образующихся при извлечении меди из руды, содержится растворенная медь, которая может быть извлечена, если пропустить сток через железный лом. Элементарная медь осаждается, фильтруется и извлекается, после чего направляется в печь. Напишите уравнение реакции восстановления меди металлическим ломом. На чем основан этот процесс? Какая природоохранная задача здесь решается?

Курс органической химии также располагает значительным материалом для организации исследовательской работы учащихся экологической направленности. Примерными темами исследований могут быть: изучение влияния на живые организмы нефти и нефтепродуктов, синтетических моющих средств, спиртов, фенолов и пестицидов; устойчивость пластмасс к действию почвенных микроорганизмов и др.

Тема «Природные источники углеводородов»

При изучении темы учащиеся знакомятся с нефтью и нефтепродуктами. Помимо их положительной роли в народном хозяйстве рассматривается и их отрицательная роль в качестве загрязнителей природной среды. Учащимся становится известно, что нефть и нефтепродукты оказывают пагубное воздействие на многие живые организмы, а следовательно, и на все звенья биологической цепи. Нефтяные пленки на поверхности морей и океанов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между океаном и атмосферой. Пленка из нефти не пропускает солнечные лучи, замедляет возобновление кислорода в воде. В результате перестает размножаться планктон – основной продукт питания морских обитателей и главный источник кислорода в атмосфере. Растворимые компоненты нефти очень ядовиты. Их присутствие приводит к гибели морских организмов, прежде всего рыб. Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, вызывает патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата.

Для доказательства отрицательного воздействия нефти и нефтепродуктов на водные организмы проводится следующая работа. В три небольших аквариума (их можно заменить банками) добавляются из расчета 10 мл/м³ нефть, мазут и бензин соответственно. Уже на 2-й день эксперимента в опытных аквариумах наблюдается замор рыб, на 3-й – гибель моллюсков, а на 6–7-й день происходит «загнивание» воды и гибель растений. Качество воды резко ухудшается: изменяются цветность, прозрачность, запах. Параллельно ставится серия опытов по определению минимальной концентрации этих веществ, при которой экосистема не подвергается деградации.

Проводится беседа о недопустимости мойки автомобилей вблизи водоемов, об аккуратном обращении с растворителями, маслами и другими нефтепродуктами при работе на открытой местности (на даче, в селе, за городом на отдыхе), а также в кабинете химии при проведении лабораторных работ (использованные вещества сливают в специальную емкость). Таким образом, у учащихся формируется культура труда и культура отношения к окружающей природной среде.

Задания для закрепления полученных знаний.

1) Объясните факт отравления человека съедобными моллюсками, выловленными из зоны моря, загрязненной нефтепродуктами.

2) Почему холодные моря загрязнены нефтепродуктами в большей степени, чем теплые?

3) Составьте схему опосредованного влияния пестицидов на человека. Какие меры необходимо предусмотреть для предупреждения этого нежелательного факта?

4) Укажите положительный и отрицательный эффекты применения химических средств защиты растений.

* * *

В заключение следует подчеркнуть, что усиление экологического образования в курсе химии позволяет приобщить учащихся к практической проверке некоторых фактов, описанных в литературе, воспроизведению в лабораторных условиях негативных явлений, наблюдаемых в природной среде в результате интенсивной, часто неразумной, бесхозяйственной деятельности человека. Непосредственное участие школьников в практической деятельности способствует развитию у них творческого, активного отношения к проблемам охраны природы, самостоятельности в принятии конкретных решений.

Л и т е р а т у р а

Никитин Л.П., Новиков Ю.Б. Окружающая среда и человек. М.: Высшая школа, 1980; Химия и охрана природы. Методические письма и рекомендации. Вып. 4. Курск, 1973, с. 90–97.

Н.З.АРНАУТОВА,
учитель химии лицея
(г. Дальнереченск, Приморский край