Единый государственный экзамен по химии: стратегия успеха

Выступление на Восьмом московском марафоне учебных предметов 7 апреля 2009 года

Учащихся, родителей и учителей волнует проблема успешной подготовки к единому государственному экзамену. Чтобы определить оптимальную стратегию подготовки к нему, необходимо учитывать типы мыслительной деятельности современных школьников. Как известно, всех людей можно разделить на две группы: правополушарные и левополушарные. Характеристика типа мыслительной деятельности учащихся может быть осуществлена по внешним признакам (табл. 1) или с использованием тестов И.П.Павлова или Е.А.Климова*. Проведенное нами исследование показало, что среди старшеклассников значительно преобладают учащиеся с правополушарным типом мыслительной деятельности.

Таблица 1

Внешние признаки типа мыслительной деятельности

Знание преобладающего типа мыслительной деятельности конкретных школьников позволяет обоснованно выбрать содержание, формы и методы обучения химии (табл. 2).

Таблица 2

Содержание обучения, виды уроков, формы и методы обучения
в зависимости от преобладающего типа мышления

Один и тот же объект, явление или процесс должны быть рассмотрены максимально возможным числом способов. При этом важно, чтобы за знаками химических элементов стояли образы реальных веществ или их моделей. Задачей учителя является организация деятельности учащихся с учетом индивидуальной специфики их мышления. Она должна быть направлена на формирование всех необходимых «образов» в их сознании и связывание этих «образов» в единое представление об изучаемом объекте. Элементами такой деятельности могут быть:

– использование вспомогательных рисунков (развитие способности визуализировать химическую информацию);

– химический эксперимент, конструирование и учебная деятельность с материальными моделями (усиление кинестетической составляющей информации);

– проговаривание вслух (улучшение аудиального восприятия);

– составление таблиц (развитие умения системного рассмотрения, поиска взаимосвязей между изучаемыми явлениями);

– составление алгоритмов (развитие умения обобщать умственные и практические действия);

– определение понятий (развитие умения выделять главное, существенное, переводить информацию из одной формы внутреннего представления в другую).

Среди формируемых образов, составляющих представление об изучаемых объектах и явлениях, имеются опорные, которые соответствуют ведущему типу мыслительной деятельности учащихся. Так, для правополушарного мышления опору в обучении химии следует делать на образы вещества, доступные чувственному восприятию, практические действия с веществом и большую степень эмоциональности процесса обучения. При левополушарном мышлении в роли опорных образов могут быть образы знаков химического элемента, формул веществ, а также слова, их описывающие.

Информация по каждому изучаемому разделу может быть представлена в четырех модальностях: визуальной, аудиальной, дигитальной (знаковой) и кинестетической. Поэтому в зависимости от того, какой учащийся перед нами, объяснение необходимо начинать с постановки базового образа. Для левополушарного учащегося – это аудиальные и знаковые образы, а для правополушарного – визуальные и кинестетические. Выбор опорной формы представления определяется при групповой работе по ведущей модальности большей части учащихся (табл. 3).

Таблица 3

Примерная последовательность построения внутренних образов

Поскольку мышление человека является словесно опосредованным, то каждый из невербальных образов должен формироваться в паре с соответствующим словесным.

Проиллюстрируем вышесказанное – рассмотрим образы, необходимые для формирования представления о серной кислоте. Часть формируемых образов относится к макроуровню, а часть – к микроуровню (табл. 4).

Таблица 4

Образы, составляющие представление о серной кислоте

Поскольку большинство учащихся имеют правополушарный (визуально-кинестетический) тип мыслительной деятельности, то опорными в их сознании являются образы, базирующиеся на визуальном представлении, а также практические действия с изучаемыми объектами. Вместе с тем эти учащиеся недостаточно успешно оперируют знаковыми моделями. Следовательно, они нуждаются в помощи, методике, которая позволяет выполнять элементарные умственные действия со знаковыми моделями, используя простейшие визуальные модели.

Визуальные модели содержательного блока «химический элемент» могут быть построены в сознании учащегося на основе представления об электронейтральности атома, которая является «парадоксальной» в том смысле, что атом состоит из заряженных частиц: протонов и электронов, являясь при этом электронейтральным. Условием электронейтральности атома, очевидно, является одинаковое число противоположно заряженных частиц, входящих в его состав. Идея электронейтральности атома и происхождения зарядов ионов может быть передана на основе следующих визуальных представлений (схема 1):

Схема 1

Следующим шагом будет формирование внутреннего представления об образовании ионов из  атомов и атомов из ионов (схема 2).

Схема 2

Этот же метод поможет построить другую визуальную модель – основу представления об окислительно-восстановительных реакциях. Отличие ее от предыдущей связано с появлением второй частицы, участвующей в процессе (схема 3).

Схема 3

Построенная выше визуальная модель может быть перенесена и на теорию кислот и оснований Бренстеда–Лоури. При рассмотрении кислотно-основных реакций следует подчеркнуть, что в отличие от окислительно-восстановительных реакций передаваемой частицей является протон (схема 4). Согласно данному представлению аммиак является основанием, а ион аммония и все аммонийные соли – кислотами.

Схема 4

Рассмотрим, как можно определить степени окисления элементов по формуле для K₂SO₄, используя визуальный стиль представления.

1) Учащийся, мысленно представляя шесть электронов во внешнем слое атома кислорода, видит, что до полностью завершенного внешнего электронного слоя атома неона ему не хватает двух электронов. Представляя электроны как отрицательно заряженные шарики, он понимает, что кислород примет два электрона, значит, степень его окисления будет равна –2.

2) Поскольку калий имеет один электрон во внешнем слое, то он его и отдаст (в этом случае также получится полностью завершенный внешний электронный слой атома неона). Следовательно, степень окисления у калия будет равна +1.

3) Далее можно представить с одной стороны восемь отрицательных зарядов кислорода: 4•(–2) = 8; очевидно, что положительных зарядов тоже должно быть восемь. Но пока имеются только два – от атомов калия, значит, не хватает шести. Следовательно, степень окисления серы равна +6.

Чтобы определить степени окисления элементов для ионов, например иона в визуальном стиле, следует визуально представить ион, заряд которого обусловлен тем, что он содержит три «лишних» электрона. Из этого представления следует, что степень окисления фосфора равна +5.

Рассмотрим, как визуальные образы могут помочь учителю в системном формировании у обучаемых понятий «гомология» и «изомерия». При реализации предлагаемой методики нужно учитывать, что ученики имеют различную способность к внутренней визуализации информации, особенно той, которая недоступна непосредственному наблюдению. Для того, чтобы учащиеся научились эту информацию видеть, нужна помощь учителя.

Развитие способности к внутренней визуализации можно осуществить, используя широко применяемые в учебной практике шаростержневые модели, которые можно заменить при их отсутствии моделями из пластилина. На основе таких моделей формируется внутреннее представление о структуре молекулы как о порядке связи между атомами. Ведущая задача, которую решает учитель на данном этапе, – это содействие созданию визуальной модели в сознании ребенка. Нужно добиться того, чтобы учащийся мог представлять модели молекул без внешней поддержки, не видя шаростержневые модели или заменяющие их рисунки.

Развитию внутренней визуальной способности способствует следующее упражнение: ученику нужно мысленно представить модель, зафиксировать ее в своем сознании, далее следует приблизить ее к себе, отдалить, вращать в пространстве. Можно также представить изменение цвета атомов, появление на них химических символов или атомных масс. Если школьники научились представлять структуры молекул органических веществ (о чем можно судить по неосознанным движениям глаз и словам, которые они употребляют), то можно переходить к формированию внутреннего представления о гомологической разности. Учащийся при произношении термина «гомологическая разность» может представлять мысленно атом углерода, связанный с двумя атомами водорода и с двумя свободными валентностями:

Поскольку одной из задач при изучении химии является развитие умений решать расчетные задачи, то эта модель может быть сформирована в виде визуального представления, включающего значения атомных масс.

Таким образом формируется представление о гомологической разности через визуальные модели с цветным или символическим обозначением атома углерода и двух атомов водорода, а также с суммарным значением массы, равной 14.

Теперь разберем, как можно сформировать понятие о гомологическом ряде алканов на основе визуального представления о гомологической разности. Для этого мысленно внедрим гомологическую разность, или метиленовую группу СН₂, между атомом углерода и водорода в молекуле метана. Это внутреннее представление нужно сопроводить мысленным проведением операции сложения: 16 + 14 = 30.

Таким образом, понятие «гомологическая разность» обретет дополнительный смысл, в виде значения ее относительной массы, равной 14. Пользуясь этим значением, легко рассчитать молекулярные массы соседних гомологов, прибавляя или вычитая 14.

В поисках общего между понятиями «гомология» и «изомерия» в представлении структуры изомеров мы выбрали перемещение метиленовой группы. Гомологи – это вещества, структурно отличающиеся друг от друга на одну или несколько СН₂-групп, а изомеры – вещества, имеющие различную структуру, которые могут превратиться одно в другое путем перемещения одной или нескольких СН₂-групп. Так визуальное перемещение метиленовой группы СН₂ в другие возможные положения позволяет построить структурные изомеры (схема 5).

Схема 5

Рассмотрим решение некоторых расчетных задач ЕГЭ по химии.

Задача 1. Какую массу оксида натрия необходимо взять для получения 100 мл 10%-го раствора гидроксида натрия ( = 1,05 г/мл)?

Р е ш е н и е

При решении задач на растворы целесообразно выполнение вспомогательного рисунка, что поможет учащемуся наглядно представить то, о чем идет речь в задаче.

Рассчитаем массу раствора:

m(р-ра NaOH) = 100 (мл)•1,05 (г/мл) = 105 г.

Найдем массу растворенного вещества (NaOH):

m(р-ра NaOH) = 105 (г)•0,1 = 10,5 г.

Теперь определим массу оксида натрия, необходимого для получения гидроксида натрия требуемой массы:

Выразим и рассчитаем значение массы Na₂O:

О т в е т. Масса оксида натрия равна 8,13 г.

Задача 2. Сколько граммов осадка образуется в результате смешения растворов, содержащих 44 г гидроксида натрия и 47,5 г хлорида магния?

Прежде чем приступить к решению этой задачи, следует учащимся разъяснить, что означают слова «избыток» и «недостаток». Для этого учитель может использовать в форме эвристической беседы следующую учебную метафору (аналогию):

Учитель. Рассмотрим производство легковых автомобилей. Для сборки одного автомобиля требуется кузов и четыре колеса. Если у нас три кузова и одиннадцать колес, то сколько автомобилей может быть собрано?

Учащиеся отвечают.

Учитель. Количество произведенных автомобилей в этом случае будем рассчитывать исходя из кузовов или колес? Почему? Так что же у нас в избытке? Тогда что в недостатке?

Конечно, способность к решению расчетных задач по химии напрямую связана с математическими способностями школьника. Традиционно для решения таких задач используются два подхода: «через количество вещества» и «метод пропорции».

Рассмотрим решение этой задачи альтернативными способами.

Для решения с использованием стратегии «выдвижения гипотез» учащимся необходимо посмотреть на задачу с позиции конечного результата.

Р е ш е н и е 1

1) Выдвинуть две гипотезы: «в недостатке хлорид магния MgCl₂» и альтернативную – «в недостатке гидроксид натрия NaOH». (Поскольку веществ всего два, то только одно из них может оказаться в избытке, а другое, соответственно, в недостатке.)

2) Рассчитать предполагаемую массу продукта по первой гипотезе. Записать уравнение химической реакции и рассчитать массу осадка по хлориду магния:

3) Рассчитать массу продукта в соответствии со второй гипотезой – по гидроксиду натрия:

4) Сравнить полученные массы гидроксида магния по двум гипотезам. Меньшая масса и будет правильным ответом.

О т в е т. Масса гидроксида магния равна 29 г.

Мы назвали данный подход стратегией в силу его универсального характера. Представленная стратегия «выдвижения гипотез» может быть перенесена во многие учебные и жизненные задачи, следовательно, она является теоретическим конструктом и носит развивающий характер. Поэтому, если учащийся освоит эту стратегию, то он может более эффективно делать многие другие учебные и жизненные дела.

Рассмотрим еще один метод решения задач на избыток – недостаток.

Р е ш е н и е  2

1) Записать уравнение химической реакции, проставив массы веществ, данные по условию, над формулами реагирующих веществ, а массы, рассчитанные в соответствии с уравнением, – под формулами:

2) Разделить данные в условии массы для каждого вещества на массы, рассчитанные в соответствии с уравнением реакции:

47,5/95 = 0,5 (для хлорида магния),

44/80 = 0,55 (для гидроксида натрия).

Меньшее значение соответствует веществу, взятому в недостатке. Значит, в недостатке – хлорид магния и расчет нужно делать по нему:

О т в е т. Масса гидроксида магния равна 29 г.

Учащиеся могут выбрать один из предлагаемых методов решения задачи, соответствующий их природным склонностям и субъектному опыту. Среди разных стилей решения задач на избыток–недостаток стратегия «выдвижения гипотез» носит наиболее общий характер и направлена на формирование у учащихся общеучебных умений и навыков.

Остановимся на задачах на вывод формулы по массовой доле химических элементов.

Существует, по крайней мере, три типа таких задач:

а) задана массовая доля элемента, число атомов которого в формульной единице известно;

б) задана массовая доля элемента, число атомов которого в формульной единице неизвестно;

в) заданы массовые доли элементов, причем один из элементов неизвестен.

Задача 3. Выведите формулу предельной одноосновной карбоновой кислоты, массовая доля кислорода в которой 43,24 %.

Р е ш е н и е

Запишем общую формулу гомологического ряда предельных одноосновных карбоновых кислот – C_nН_2nО₂. Поскольку в молекуле два атома кислорода, то их масса в сумме равна 32. Далее возможны два варианта вычисления массы всей молекулы: по формуле и методом пропорций.

1) По методу пропорций:

32 (г) — 43,24 %,

М (г) — 100 %.

Таким образом

2) При расчете по формуле:

= m_ч / m_об

выразим общую массу:

m_об = 32 (г)/0,4323 = 74 г.

Из найденной молекулярной массы можно определить формулу, выразив массу карбоновой кислоты в общем виде:

12n + 1•2n + 32 = 74, откуда n = 3.

Очевидно, что это третий член гомологического ряда – пропановая кислота.

О т в е т. C₂H₅COOH.

Задача 4. Определите формулу алкана, массовая доля водорода в котором составляет 20 %.

Р е ш е н и е

Запишем общую формулу алканов – С_nH_2n+2. Составим следующую пропорцию:

m(Н) = 1•(2n + 2) — 20 %;

m(C) = 12n — 80 %,

80•(2n + 2) = 20•12n.

Решение уравнения даст значения n = 2. Следовательно, формула алкана – С₂Н₆.

О т в е т. С₂Н₆.

Задача 5. Определите возможную формулу неизвестного вещества, содержащего 27 % натрия, 56,5 % кислорода и некоторый третий элемент.

Р е ш е н и е

Оформим решение в виде таблицы, подсчитав массовую долю неизвестного элемента:

Далее предположим, что в формульной единице один атом натрия.

Используя свойства пропорции, найдем массу, приходящуюся на кислород:

и неизвестный элемент:

Подставим полученные значения в таблицу:

Очевидно, что в составе формульной единицы три атома кислорода, а неизвестный элемент – азот. Следовательно, предполагаемая формула вещества – NaNO₃.

О т в е т. NaNO₃.

Рассмотрим задачи, в которых для вывода формулы вещества необходимо составить уравнение химической реакции.

Можно выделить два типа таких задач:

а) соотношение количеств веществ в уравнении одинаково для всех членов гомологического ряда – реакция проходит по функциональной группе;

б) соотношение между количествами веществ зависит от числа атомов углерода в молекуле органического вещества, участвующего в реакции, например реакции горения.

Задача 6. Определите формулу предельного одноатомного спирта, если известно, что при реакции 6 г спирта с избытком натрия выделилось 1,12 л водорода.

Р е ш е н и е  1

Составим уравнение реакции:

С_nH_2n+2O + Na = C_nH_2n+1ONa + 0,5Н₂.

Над уравнением реакции напишем данные согласно условию задачи, а под уравнением – рассчитанные по уравнению реакции:

Составим пропорцию и решим ее:

6/(14n + 18) = 1,12/11,2.

Решение уравнения дает значение n = 3.

О т в е т. С₃Н₇ОН.

Р е ш е н и е 2

Составим уравнение реакции:

С_nH_2n+2O + Na = C_nH_2n+1ONa + 0,5Н₂.

Найдем количество вещества водорода:

(H₂) = V/ V_M = 1,12 (л)/22,4 (л/моль) = 0,05 моль.

Следовательно, количество вещества спирта в два раза больше:

(спирта) = 2•0,05 = 0,1 моль.

Рассчитаем теперь молярную массу спирта:

M = m/ = 6 (г)/0,1 (моль) = 60 г/моль.

Представим массу спирта в общем виде:

12n + 2n + 18 = 60.

Откуда n = 3.

О т в е т. C₃H₇ОН.

Задача 7. На сжигание предельного одноатомного спирта массой 3,2 г был израсходован кислород объемом 3,36 л. Определите формулу спирта.

Р е ш е н и е

Составим уравнение реакции в общем виде:

С_nH_2n+2O + 1,5nO₂ = nCO₂ + (n + 1)H₂O.

Напишем над уравнением реакции данные согласно условию задачи, а под уравнением – рассчитанные по уравнению реакции:

По этим данным составим пропорцию и решим ее:

Откуда n = 1. Следовательно, искомый спирт – метиловый.

О т в е т. СН₃ОН.

Решение отдельных задач можно начинать с закона сохранения массы веществ в химической реакции.

Задача 8. Некоторый сложный эфир массой 7,4 г подвергнут щелочному гидролизу. При этом получено 9,8 г калиевой соли предельной одноосновной кислоты и 3,2 г предельного одноатомного спирта. Установите молекулярную формулу этого эфира.

Р е ш е н и е

Запишем уравнение реакции в общем виде, поставив значения масс, данных в условии, над соответствующими формулами: 

Пользуясь законом сохранения массы в химических реакциях, найдем массу гидроксида калия, составив следующее уравнение:

7,4 + х = 9,8 + 3,2.

Откуда х = 5,6. Количество вещества гидроксида калия равно:

(KOH) = 5,6/56 = 0,1 моль.

Значит, других участников реакции и продуктов тоже по 0,1 моль. Что позволяет найти значения молекулярных масс, а затем и формулы веществ, участвующих в реакции.

О т в е т. CH₃COOCH₃.

---

* Тест И.П.Павлова можно найти в книге: Сиротюк А.Л. Обучение детей с учетом психофизиологии: Практическое руководство для учителей и родителей. М.: Сфера, 2001; тест Е.А.Климова – в книге: Ильин Е.П. Психология индивидуальных различий. СПб.: Питер, 2004.

 

М.А.АХМЕТОВ,
заведующий кафедрой
естествознания УИПКПРО,
канд. хим. наук