Интеграция естественных наук
в рамках творческих работ
в старшем школьном возрасте

Введение

Научные достижения – продукт творческого труда ученых.

Под творчеством в науке понимают открытие новых фактов, правил, принципов, методов, законов и теорий либо изобретение новой техники или новых технических решений промышленного производства традиционных продуктов. Научный процесс не может быть творческим от начала до конца. Известные методы исследования относятся в основном к технической стороне науки, новые же методы порождены творчеством ученого.

Может ли учащийся средней школы выполнять творческую работу? Насколько она необходима в учебном процессе? Такая постановка вопроса сегодня не только правомерна, но и крайне актуальна, потому что в обиход общеобразовательных учебных заведений входит научная работа школьников.

В школе неттворчества как вполне самостоятельного поиска или самовыражения учащегося, направленного на раскрытие только им увиденного оттенка качества вещества. Все происходящее в кабинетах ограничено рамками программы, построенной независимо отиндивидуальных особенностей учащихся. Но такой подход не оправдан вестествознании, ведь об объектах изучения естественных наук трудно сказать, что о них все до конца известно.

Мы хотим предложить ряд творческих задач по предметам естественно-научного цикла, необходимых при решении различных проблем.

Творческий процесс связан с получением нового результата. Учащиеся в основном решают рутинные задачи, т.е. задачи, принцип решения которых им объяснен, и различающиеся лишь некоторыми вариациями. При решении таких задач у учащихся не могут проявиться даже имеющиеся творческие способности, об их развитии и говорить не приходится.

Если ученик сконструировал новый прибор или синтезировал вещество, с которым ранее не сталкивался, значит, он занимался творчеством. Однако эти условия необходимые, но недостаточные для того, чтобы рассматривать процесс решения задачи кактворчество.

Современная психология в качестве основного критерия творчества рассматривает возникновение глубокого внутриличностного переживания, связанного с острым желанием решить проблему и осознанием отсутствия в собственном опыте готовых средств для ее решения.

В результате учащийся вынужден осуществлять поиск интуитивно, в условиях сложного переплетения логических действий и образных построений.

Существует д в а основных п о д х о д а к составлению творческой задачи. В соответствии с первым проблема в явном виде не задается,она должна быть выявлена в ходе работы над задачей, в условиях, когда решающий ее не уверен в перспективности каждой своей идеи или полученного промежуточного результата, т.е.в условиях неопределенности.

Второй подход к составлению творческих задач предполагает, что суть проблемы обнаруживается практически сразу в форме парадокса.

Парадоксальность ситуации формируется путем специального провоцирования неадекватного восприятия условия. Это достигается, если условие противоречит имеющемуся у испытуемого опыту решения задач.

Основные требования к творческой задаче

• Латентность. Это многоплановость условия: условие задачи составляется таким образом, чтобы испытуемый не сразу обратил внимание на все содержащиеся в нем задания, т.е. в условии выделяется ближний план (данные, которые учащийся осознает сразу) и дальний план (данные, обнаруживаемые в ходе работы над задачей).

• Неопределенность условия задачи. Отсутствие критериев правильности действий или правильности выбранного направления решения, а также глубины и полноты решения. Эти критерии испытуемый должен устанавливать сам в ходе решения задачи.

• Полипредметность. Связь содержания задачи с различными отраслями науки и производства, с искусством и бытом. Полипредметность расширяет возможности составления задач, вызывающих интерес у учащихся.

Естественно-научные творческие задачи соответствуют реальным проблемам.

Рассмотрим требования к творческим задачам по химии и другим естественным предметам на конкретных примерах.

Творческие задания по химии

8 класс

Задача 1.

В редакцию одного научно-популярного журнала пришло письмо от юного химика, который утверждал, что протекание реакции нейтрализации в некоторых случаях зависит от последовательности сливания растворов кислоты и щелочи. В качестве доказательства своей точки зрения учащийся привел наблюдение: при приливании к окрашенному фенолфталеином раствору щелочи раствора борной кислоты индикатор не изменяет окраску; если поменять порядок смешивания растворов, т.е. к смеси растворов борной кислоты и фенолфталеина добавлять раствор щелочи, то индикатор изменяет цвет.

Повторите опыт юного химика и объясните наблюдаемые явления.

Вариант решения. В условии задачи содержится противоречие, которое воспринимается как парадокс. Противоречие строится на том, что учащиеся привыкли выполнять реакции с растворами приблизительно одинаковой концентрации.

Раствор борной кислоты (из-за ее небольшой растворимости) скорее всего имеет существенно меньшую концентрацию, чем раствор щелочи, поэтому у учащихся создается впечатление, что при приливании раствора борной кислоты к раствору щелочи реакция нейтрализации не идет. Чтобы решить задачу, учащиеся должны переосмыслить изначальную установку о приблизительно равной концентрации растворов. Попытка разбавить раствор щелочи или использовать существенно меньший его объем сразу решит противоречие. Изменение окраски индикатора происходит независимо от порядка сливания растворов.

Задача 2.

Дистиллированная вода часто используется в быту (например, для приготовления электролита аккумуляторной батареи), в лаборатории (для приготовления растворов), поэтому очень важно быстро определить, является ли имеющаяся вода дистиллированной или нет. Предложите способ, с помощью которого можно быстро отличить дистиллированную воду от водопроводной.

Вариант решения. Водопроводная вода содержит в своем составе различные соли (она обладает жесткостью). Если выпарить каплю водопроводной воды на предметном стеклышке, то наблюдается помутнение (осадок соли).

Задача 3.

На доске заготовлен рисунок: пронумерованные воздушные шары, расположенные на разной высоте. В течение 5 минут учащиеся должны определить, каким газом из тех, чьи формулы перечислены ниже, заполнен каждый шарик: N₂, NН₃, СО₂, Н₂, Не, SО₂, О₂, СН₄.

Задача 4.

Тренер, бывший чемпион по прыжкам в воду, пожаловался коллеге: «Трудно работать. Прыжки становятся все сложнее и сложнее. Надо придумывать новые комбинации, пробовать, а при этом увеличивается вероятность неудачных приводнений и травм. Когда спортсмен падает с высоты, вода не такая уж мягкая». Что нужно сделать с водой, чтобы она стала мягче и спортсмены не травмировались при неудачных прыжках?

Вариант решения. Бассейн должен быть заполнен не водой, а чем-то более мягким, чтобы спортсмен не получал травмы при неудачном прыжке. Что мягче воды? Газ, воздух.

В ы в о д: пусть спортсмен прыгает в смесь воды и воздуха, в газированную воду. Газированная вода остается водой, но удар об нее менее ощутим.

9 класс

Задача 5.

При паянии и лужении (обработка оловом) металлических предметов их поверхность предварительно обрабатывают раствором нашатыря (хлорида аммония). Как вы думаете, с какой целью это делают? В чем суть протекающих на поверхности металла химических процессов?

Вариант решения. У большинства металлов поверхность покрыта оксидной защитной пленкой, которая мешает паянию и лужению. Чтобы разрушить оксиды, используют, например, NH₄Cl, он при высокой температуре разлагается с образованием аммиака и хлороводорода, который, в свою очередь, в присутствии воды растворяет оксидную пленку.

Задача 6.

Одна из стадий производства H₂SO₄ – окисление оксида серы (IV), образующегося при обжиге сульфидных руд или при сжигании серы, в оксид серы(VI). Кислород вступает в реакцию с оксидом серы(IV) только в условиях высокой температуры и при наличии катализатора. Предложите окислитель, который позволяет получить оксид серы(VI) при комнатной температуре без применения катализатора. Оцените возможности его использования в промышленных условиях.

Вариант решения. В качестве окислителя можно использовать селитру или озон. Эти окислители не применяют в производстве серной кислоты, потому что они взрывоопасны.

 

Задача 7.

В одном из номеров газеты «Труд» была опубликована информация о гибели рабочего одного из химических предприятий. Согласно сообщению корреспондента газеты, на заводе проводилась продувка труб азотом. Небольшое количество воды, оставшееся в трубопроводе, вступило в реакцию с азотом, и образовавшаяся азотная кислота вызвала смерть человека. Проведя соответствующие расчеты, подтвердите или опровергните правильность химической интерпретации этого несчастного случая.

Вариант решения. Нужно рассчитать изменение энергии Гиббса для реакции азота с водой. Если G_r будет меньше нуля, то корреспондент прав.

Задача 8.

Используя уравнение реакции:

2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2Na AlO₂ + 3H₂,

составьте задачу на примеси и избыток–недостаток.

Задача 9.

По телевидению часто рекламируется зубная паста «Блендамед». Из рекламы следует, что в состав этой пасты входит компонент флуорестат, препятствующий кариесу: обработанная пастой яичная скорлупа утрачивает способность реагировать с кислотой. Сделайте предположение о составе рекламируемой зубной пасты.

Вариант решения. Фтор во многих странах называют флюором, следовательно, в состав пасты может входить фторсодержащий компонент, например фторид натрия, а также «абразивный» материал, не повреждающий зубы.

Задача 10.

Маленький мальчик взял на столе пузырек с какой-то вязкой жидкостью, пошел в гараж и вылил содержимое пузырька в раствор, который папа отставил в сторону, чтобы в него ничего случайно не попало. В результате из раствора выпал студенистый осадок. Папа очень расстроился, попросил старшего сына удалить и исследовать этот осадок и выяснить, можно ли оставшийся раствор использовать по назначению.

Вариант решения. Мальчик взял силикатный клей и вылил его в раствор серной кислоты.

В результате выпал осадок кремниевой кислоты, что можно подтвердить растворением осадка в щелочи. Кислота H₂SiO₃ при разложении образует белый порошок SiO₂, взвесив который можно рассчитать, сколько клея вылил мальчик. Использовать раствор можно, добавив в него более концентрированный раствор серной кислоты.

Задача 11.

Действие пенного огнетушителя основано на реакции между раствором гидрокарбоната натрия и серной кислотой. Существуют модификации пенного огнетушителя, в которых серная кислота заменена раствором некоторой средней соли. Какие соли могут быть использованы для этой цели?

Вариант решения. Реагировать с раствором гидрокарбоната натрия, подобно кислотам, могут соли, гидролизующиеся по катиону, например хлорид железа(III) или сульфат алюминия. Их растворы имеют кислую реакцию среды. Используют насыщенные растворы гидролизующихся солей для того, чтобы в процессе реакции выделялось достаточное количество углекислого газа.

Задача 12.

Как изготовить конфеты в виде шоколадных бутылочек, наполненных густым малиновым сиропом? Учащиеся чаще всего предлагают сначала сделать шоколадную бутылочку, а потом залить в нее сироп. Однако сироп обязательно должен быть густым, иначе конфета получится непрочной. А густой сироп трудно залить в бутылочку. Можно, конечно, нагреть сироп, он станет более жидким. Но вот беда – горячий сироп расплавит шоколадную бутылочку. Как быть?

Вариант решения. Подводим учащихся к использованию приема «сделать наоборот», т.е. не сироп заливать в бутылочку, а шоколадом покрывать сироп. Сироп нужно заморозить в форме бутылочки и окунуть в жидкий шоколад. Шоколад застынет, а сироп растает, конфетка готова.

Задача 13.

Зима. На открытых железнодорожных платформах лежит окаменевшее от холода минеральное удобрение. Как разгрузить такой состав? Нагревать груз непросто, потому что его много. Решите проблему.

Вариант решения. Удобрение надо не нагревать, а охлаждать: груз обливать жидким азотом, который потом превращается в газ и исчезает («использование фазовых переходов»).

Задача 14.

Хороший термос долго (до 2 суток) хранит тепло, но когда жидкость в термосе остыла, то для нагревания ее необходимо вылить из термоса, нагреть и снова залить. А если для этого нет условий?

Почему бы воду не нагревать сразу в термосе? Но колба термоса герметична, в простенках вакуум. Если в колбу вставить еще один металлический цилиндр, чтобы в нем нагревать воду, вес изделия увеличится. Это грубое решение проблемы. Изобретите термос-чайник.

Вариант решения. В термосе между стенками глубокий вакуум, а на дне – горсть гидрида. Если немного нагреть гидрид, то выделившийся водород станет проводником тепла между стенками. Выключим нагрев, и водород полностью поглотится гидридом, восстановится вакуум.

Внутри термоса может быть аккумулятор тепла и холода. По энергоемкости водородные термосы в 20 раз превосходят электробатареи.

10 класс

Задача 15.

В книге доктора А.И.Макиевского «Домашняя химия», изданной в 1893 г., приводится интересное наблюдение: «… Прекрасная половина рода человеческого часто употребляет уксус в огромных количествах либо в чистом виде, либо вместе с другими кушаньями для сохранения талии. Цель достигается вполне, но вместе с грациозной талией приобретается отвратительный цвет лица».

Чрезмерное применение уксуса может привести не только к появлению землянистого цвета лица, но и к серьезному отравлению.

Каким образом оказать первую помощь переусердствовавшей с уксусом красавице, используя средства, не наносящие ущерба здоровью?

Вариант решения. В условии этой задачи нет данных, кажущихся учащимся парадоксальными, все данные принимаются во внимание сразу.

Задача имеет д в а  в а р и а н т а  р е ш е н и я: жженая магнезия ияичный белок. Жженая магнезия (оксид магния) нейтрализует кислоту как основной оксид. Яичный белок нейтрализует кислоту за счет коагуляции.

Задача соответствует содержанию курса химии, доступна и интересна учащимся, связана с историей и медициной.

Задача 16.

По мере расширения масштабов химического производства, к сожалению, возрастает и число аварий, связанных с выбросами вредных веществ. Одна из таких аварий произошла в 1989 г. в Уфе, когда большое количество фенола попало в близлежащие водоемы, а из них – в водопроводную воду. Жители города начали жаловаться на характерный запах карболки, исходящий от воды, а затем и на симптомы отравления – рвоту и боли в подложечной области.

Способы очистки воды, применяемые на водоочистных станциях, оказались малоэффективны, фенол не задерживался фильтрами, окисление кислородом воздуха шло слишком медленно, а хлорирование порождало образование более токсичных продуктов.

Предложите способ очистки воды от фенола, который можно было бы применить на станции водоочистки.

Вариант решения. Из условия задачи следует, что окисление кислородом приводит к очистке воды, но процесс протекает медленно, поэтому можно предложить окислять фенол озоном.

Задача 17.

Ни одно открытие, ни одно изобретение невозможно без фантазии. В журнале «Химия и жизнь» появилась статья А.Кона «Драконы: какими они были?», в которой автор делает предположение о том, что мифическое животное дракон изрыгает метан, который воспламеняется при каталитическом воздействии губчатой пластины, находящейся у него в пасти. Предложите другие варианты объяснения извержения огня из пасти дракона.

Вариант решения. Среди воспламеняющихся на воздухе газов можно предположить силан, фосфин и водород. Образование фосфина представляется более реальным, т.к. известно, что этот газ образуется при гниении организмов.

Может быть, в пасти дракона высокая температура, тогда возможна реакция между углем (продукт разложения древесины) и фосфатами (из костей съеденных животных) – в результате образуется белый фосфор, который и воспламеняется на воздухе.

Л и т е р а т у р а

Химическая энциклопедия. В 5 т. М.: Советская энциклопедия, Т.1, 1988; Зоммер К. Аккумулятор знаний по химии. М.: Мир, 1984, с. 44; Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. М.: Наука, 1979; Шульпин Г.Б. Мир необходимых молекул.
М.: Наука, 1986; Крестов Г.А., Березин Б.Д. Основные понятия современной химии. Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1986, с. 21; Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. М.: Мир, 1976; Ахметов Н.С. Химия. 8 класс. М.: Просвещение, 1996, с. 102; Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас.
М.: 1992, с. 103–104; Лисичкин Г.В., Батанели В.И. Химики изобретают. М.: Просвещение, 1990,
с. 36, 84–85; Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия. Ленингр. отделение. 1978, с. 42–46; Химия. Школьный иллюстрированный справочник. М.: Росмэн, 1995; Химия. Справочные материалы. Книга для учащихся. Под ред. Ю.Д.Третьякова, М.: Просвещение, 1988,
с. 43; Альтов Г. И тут появился изобретатель. М.: Дет.лит., 1989; Викентьев И.Л., Кайков И.К. Лестница идей. Новосибирск: Изд-во НГПИ, 1992.

Творческие задания по зоологии

1. Платяная моль – бабочка, не имеющая рта, – наносит большой вред мебели, одежде. В отчете текстильной промышленности Англии сообщалось, что моль ежегодно съедает 3500 т тканей. Как может моль съедать такие несъедобные вещи?

О т в е т. Вред приносит не сама моль, а гусеницы моли. В организме гусениц моли есть ферменты, которые помогают усваивать ей мертвый белок, шерсть, кожу и т.д.

2. В пустыне песок раскаляется до 70 °С, а верблюды спокойно ходят по нему и даже ложатся на песок. Почему верблюды не получают ожогов?

О т в е т. У верблюда на ногах и на груди имеются толстые мозоли, они и предохраняют его от ожогов.

3. Известно, что удавы опасны для человека; в природе нападают на крупных животных и душат их; однако в цирке дрессировщик смело берет удава на руки, кидает себе на плечи, обвивает кольцами тела удава свою шею. Почему удав не пытается задушить дрессировщика? Изложите свои гипотезы.

О т в е т. Удава перед выступлением некоторое время держат в помещении с низкой температурой воздуха, что приводит к понижению его активности и агрессивности.

4. На Украине в песке ученые-зоологи неоднократно находили яйца безногой ящерицы веретеницы. В Санкт-Петербурге встречаются молодые и взрослые веретеницы, но не находили яиц этой ящерицы. Почему?

О т в е т. В северных областях страны веретеница является живородящей, а в более южных – откладывает яйца.

5. Киты и дельфины иногда выбрасываются на берег, причем спасенные людьми животные нередко снова повторяют попытку выбрасывания. Почему?

О т в е т. Причины такого поведения до сих пор не выяснены. Это могут быть нарушения работы органов чувств, «поглощение» ультразвука мягким песком литорали (при этом дельфин не получает отраженного сигнала); заболевания мозга и т.д.

6. Рыба гольян – настоящий каннибал. Взрослые особи иногда пожирают свое потомство. В чем биологический смысл этого явления?

О т в е т. Это некий механизм, регулирующий численность популяции.

7. Практически все птицы насиживают яйца, т.е. согревают их, сохраняя определенную температуру, необходимую для развития зародыша. Однако сорные куры не насиживают своих кладок. Почему?

О т в е т. Необходимое для развития зародыша тепло образуется при гниении растительной основы объемистого гнезда, в которое сорные куры откладывают свои яйца.

8. Летучие мыши не реагируют на свет, однако залетают в освещенные помещения, на открытые веранды, где находятся люди и горит свет. Объясните причину такого поведения животных.

Летучая мышь не реагирует на свет… зачем она на него летит?

О т в е т. Свет лампы привлекает ночных бабочек и других насекомых, которыми питаются летучие мыши.

9. Насколько справедливо с биологической точки зрения выражение «проливать крокодиловы слезы»?

О т в е т. Крокодил, в самом деле, проливает обильные слезы «Солевой плаг». Почки не способны удалять из организма избыток солей. Этот недостаток компенсируется специальными железами, расположенными у самых глаз крокодила, которые выделяют соленую жидкость.

10. Муравей вернулся в свой муравейник, однако на него неожиданно накинулись муравьи, охраняющие муравейник, и вытащили его оттуда. Так продолжалось несколько раз. Но через некоторое время муравей без затруднения прошел в муравейник. Объясните, что случилось?

О т в е т. Видимо, муравей долго находился около раздавленного насекомого – источника чужого запаха. Охрана не принимала его, пока не выветрился этот запах.

11. Почему мидии живут вместе?

О т в е т. Одной мидии не вырастить потомство, молодых личинок просто съедят. Внутри колонии личинки в безопасности, в чистой, профильтрованной от грязи воде.

12. Известно, что у крыс зубы растут всю жизнь. Что происходит, если крыс все время кормить мягкой пищей?

О т в е т. Зубы у крыс постоянно стачиваются от грубой пищи. Если же пища мягкая, зубы не стачиваются и все время растут, то у крыс от больших размеров зубов будут проблемы с питанием.

13. Почему у журавля один птенец, ведь откладывают они по два яйца?

О т в е т. Вылупившиеся птенцы начинают друг с другом вести жестокую драку, пока один не убьет другого.

14. В Баренцевом море рыболовы выявили, что чем больше вылавливается трески, тем больше в пищеварительных органах у нее обнаруживается мелких рачков. Но треска – хищник, который рачками не питается. Найдите причину существующей зависимости.

О т в е т. Причина зависимости улова трески от количества рачков кроется в пищевых цепях. Треска питается сельдью, а сельдь рачками.

15. В морском заливе на площади 30 га собираются разводить двустворчатых моллюсков – мидий. Какой урожай можно получить, если в некоторых местах мидии скапливаются массой до 20 кг на 1 м²? Обоснуйте экономическое и экологическое значение разведения мидий в заливе.

О т в е т. С площади в 30 га можно получить 6 тыс. т мидий. Экономическое значение разведения мидий заключается в том, что, не затрачивая средств на их питание, можно получить много полезной пищи. Пропуская через свое тело огромное количество воды (за 1 ч до 3,5 л), моллюски способствуют очищению и осветлению воды.

16. Объясните, почему в районе леса, где были уничтожены практически все гусеницы, хуже стали расти деревья.

О т в е т. Гусеницы, когда их немного, питаются листьями растений, регулируя таким образом величину листового покрова, одновременно они удобряют лесную подстилку.

17. На конвертах и наклейках спичечных коробков иногда печатают призыв «Охраняйте полезных животных и птиц». Что неверно в этом выражении?

О т в е т. Неточность заключается в следующем: птицы тоже животные.

18. В тропических морях некоторые виды колониальных полипов образуют большие коралловые рифы. Так, длина Большого Барьерного рифа примерно 2000 км. Почему оказалась возможной постройка столь малыми животными таких гигантских сооружений?

О т в е т. Колониальные полипы в теплых морях очень быстро размножаются почкованием, поэтому их образуется чрезвычайно много. Из несметногоколичества их известковых скелетов со временем и создаются мощные коралловые рифы, мешающие судоходству.

19. С давних времен человек страдает от изнурительной болотной лихорадки (малярии), особенно распространенной в странах с теплым климатом. Почему долгое время перед ней была бессильна медицина?

О т в е т. Возбудитель лихорадки – малярийный плазмодий, но его нельзя было найти, пока не был открыт микроскоп. Открытие микроскопа позволило медикам и зоологам изучить цикл развития малярийного паразита и найти средства для борьбы с малярией.

20. Бывают ли рыбы «кукушками»?

О т в е т. Да, например рыба-горчак откладывает икру в полость двустворчатых моллюсков.

С.В.ЛАРИНА, учитель химии;
Н.К.ХАЙРУЛЛИНА, учитель биологии
средней школы № 26
с углубленным изучением
отдельных предметов
(г. Нижнекамск,
Респ. Татарстан)