Методические основы подготовки
к олимпиадам по химии

Учебный план курса

 

И.А.ТЮЛЬКОВ,
О.В.АРХАНГЕЛЬСКАЯ

 

ЛЕКЦИЯ № 3
Концептуальная основа содержания
олимпиадных задач

 

Примерная программа содержания различных этапов
химических олимпиад: жесткие границы или ориентиры для подготовки?

Авторами данного курса лекций недавно завершена работа над примерной содержательной программой всех этапов Всероссийской олимпиады школьников по химии (ВОШ(х)). Программа представлена в книге «Всероссийская олимпиада школьников по химии в 2006 году» (авторы: В.В.Лунин, О.В.Архангельская, И.А.Тюльков; М.: АПК и ППРО, 2006). Найти эту книгу можно в органах управления образованием субъектов Российской Федерации. Это результат долгого кропотливого труда. Было изучено и обобщено содержание олимпиадных задач за много лет, выделено фундаментальное ядро школьного химического образования, проанализированы программы курсов по химии высших учебных заведений.

Принципы, которые были положены в основу построения этой программы, можно сформулировать следующим образом:

• полнота отражения содержания химии c учетом современного состояния науки;

• распределение материала по содержательным блокам;

• связь с жизнью, с современными научными методами познания мира;

• возрастание сложности материала от этапа к этапу;

• учет внутрипредметных и межпредметных связей.

Этот документ является залогом единого образовательного пространства Всероссийской олимпиады школьников по химии. Учитывая широкий охват школьников олимпиадным движением, можно смело сказать о том, что работа над содержательной программой олимпиады вносит ощутимую лепту в сохранение фундаментального естественно-научного образования в России.

Примерная программа состоит из 7 разделов:

– неорганическая химия;

– физическая химия;

– аналитическая химия;

– органическая химия для 10-х и 11-х классов;

– органическая химия для 9-го класса;

– биохимия;

– содержание экспериментального тура.

При составлении примерной программы авторы учитывали, что ее содержание должно быть дифференцировано по:

• четырем этапам олимпиады;

• четырем возрастным параллелям обучающихся (для 8–11-х классов).

В качестве примера приведем программу по органической химии для 9-го класса и программу содержания экспериментального тура.

Программа по органической химии для 9 класса
(Первоначальные представления об органических веществах)

Только для IV этапа.

Первоначальные сведения о строении органических веществ (теория А.М.Бутлерова).

Гомологический ряд предельных углеводородов. Получение. Химические свойства: замещение водорода, горение, дегидрирование. Изомерия. Метан, этан.

Природные источники углеводородов. Нефть и природный газ, их применение.

Гомологический ряд алкенов. Получение. Химические свойства: присоединение воды, водорода, галогенов, галогеноводородов, окисление, горение, полимеризация. Изомерия. Этилен.

Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов. Получение. Химические свойства: окисление, горение. Изомерия. Метанол, этанол.

Глицерин как представитель многоатомных спиртов.

Гомологический ряд предельных одноосновных кислот. Получение. Химические свойства. Уксусная кислота. Стеариновая кислота.

Общие представления о жирах, углеводах и белках.

Программа содержания экспериментального тура

Раздел 1. Синтез неорганических и органических веществ.

Взвешивание (аналитические весы).

Измерение объемов жидкостей с помощью мерного цилиндра.

Приготовление раствора из твердого вещества и растворителя. Смешивание и разбавление, выпаривание растворов.

Нагревание с помощью горелок и электрических плиток.

Измерение объемов жидкостей с помощью пипетки, бюретки.

Смешивание и перемешивание жидкостей. Использование миксера и магнитной мешалки. Использование капельной воронки.

Фильтрование через плоский бумажный фильтр. Фильтрование через складчатый бумажный фильтр.

Промывание осадков на фильтре. Высушивание осадков на фильтре.

Перекристаллизация веществ из водных растворов.

Высушивание веществ в сушильном шкафу. Высушивание веществ в эксикаторе.

Синтез в плоскодонной колбе, общие принципы. Синтез в круглодонной колбе, общие принципы. Присоединение и использование промывной склянки.

Работа с водоструйным насосом. Фильтрование через воронку Бюхнера.

Аппаратура для нагревания реакционной смеси (с дефлегматором). Аппарат для перегонки жидкостей при нормальном давлении.

Перекристаллизация веществ из известного органического растворителя. Практический выбор растворителя для перекристаллизации.

Экстракция. Использование делительной воронки.

Раздел 2. Идентификация неорганических и органических веществ.

Реакции в пробирке.

Обнаружение катионов и анионов в водном растворе.

Методика проведения капельных реакций в кювете и на фильтровальной бумаге.

Групповые реакции на катионы и анионы.

Идентификация элементов по окрашиванию пламени.

Качественное определение основных функциональных групп органических соединений.

Раздел 3. Определение неорганических и органических веществ.

Количественное определение с помощью реакций осаждения.

Прокаливание осадка в тигле.

Количественный волюметрический анализ.

Правила титрования. Приготовление стандартного раствора.

Кислотно-основное титрование. Цветовые переходы индикаторов при кислотно-основном анализе.

Прямое и обратное титрование.

Окислительно-восстановительные, осадительные и комплексонометрические методы титрования.

Колоночная хроматография.

Раздел 4. Специальные измерения и процедуры.

Измерение рН-метром.

Бумажная тонкослойная хроматография.

Термостатирование.

Колориметрия.

Измерение электропроводности.

Фотоколориметрия.

Раздел 5. Оценка результатов.

Оценка погрешности эксперимента (значащие цифры, графики).

Необходимо отметить, что это – примерная программа. Она является ориентиром при подготовке школьников к участию в олимпиаде, однако в задания олимпиады могут входить элементы содержания, не включенные в программу. В этом случае в тексте условия дается краткое пояснение незнакомого школьнику материала.

При разработке примерной программы содержания олимпиады авторы использовали следующие документы.

• Федеральный компонент государственного стандарта общего образования. Химия (одобрен решением коллегии Минобразования России и Президиума Российской академии образования от 23 декабря 2003 г. № 21?/?12, утвержден приказом Минобразования России «Об утверждении федерального компонента государственных стандартов начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования» от 5 марта 2004 г. № 1089). В книге «Сборник нормативных документов. Химия». Сост. Э.Д.Днепров, А.Г.Аркадьев. М.: Дрофа, 2004.

• Программа вступительных испытаний по химии. Химия-2006: Вступительные экзамены в МГУ. Под общей ред. проф. Н.Е.Кузьменко и проф. В.И.Теренина. М.: МГУ, 2006.

• Программы дисциплин образовательной программы по специальности 011000 – Химия. Для государственных университетов. М.: МГУ, 1999.

Несомненно, примерная программа содержания олимпиады будет хорошим подспорьем участникам и их наставникам при подготовке к участию в олимпиадах различного уровня, а также авторам олимпиадных задач.

Особенностью олимпиадных задач является их «химичность».

Краеугольным камнем является вопрос о содержании задач. Должно ли оно соответствовать школьной программе по химии или может выходить за ее рамки? Олимпиады школьников являются внешкольной формой обучения. Интересы ребят, участвующих в олимпиадах, конечно, выходят за рамки школьной программы, за пределы учебника. Поэтому ответ на этот вопрос однозначен: содержание задач олимпиад должно вызывать у их участников стремление к получению новых знаний, т.е. быть шире и глубже школьного курса химии.

Материал для заданий олимпиады опирается на минимум содержания по химии для средней общеобразовательной школы. Это инвариантное ядро, на основании которого можно строить работу по подготовке к участию в олимпиаде. Это базовые знания, усвоив которые наверняка захочется узнать что-то новое. Так что примерную программу содержания различных этапов химических олимпиад можно рассматривать как ориентировочную план-схему путешествия в мир химии.

Классификация олимпиадных задач

1. Содержание олимпиадных задач можно разделить по пяти основным блокам.

1) Неорганическая химия: основные классы (оксиды, кислоты, основания, соли); свойства и синтез неорганических соединений; номенклатура; периодический закон и периодическая система (основные закономерности в изменении свойств элементов и их соединений); кристаллические структуры и т.д.

Содержательные блоки олимпиадных задач по химии

2) Органическая химия: основные классы органических соединений (алканы, циклоалканы, алкены, алкины, арены и гетероциклы, галогенпроизводные, спирты и фенолы, карбонильные соединения, карбоновые кислоты и их производные – сложные эфиры, ангидриды, галогенангидриды, амиды, нитрилы, азотистые основания); номенклатура; изомерия; свойства и синтез органических соединений.

3) Физическая химия: строение атома; химическая связь; закономерности протекания химических реакций (основы химической термодинамики и кинетики).

4) Аналитическая химия: качественный и количественный анализ.

5) Биохимия: аминокислоты и пептиды, белки, жирные кислоты и жиры, ферменты, углеводы.

Выделение именно этих пяти блоков оправдано системой химии как науки. Это тот фундамент, на котором базируется все химическое знание.

Содержание выделенных блоков по-разному распределяется в задачах для различных классов и для разных этапов олимпиады.

В задачи 9-го класса, как правило, входят неорганическая, аналитическая и физическая химия. В задачах 10-го класса появляется органическая химия. В задачах 11-го класса представлены все содержательные блоки.

Отметим, что содержание каждого блока для 9–11-х классов отличается. Возрастают объем и глубина охвата материала каждого блока. Так, для 9-го класса из физической химии достаточно уметь применять закон Гесса и следствия из него для термохимических расчетов, для 11-го класса необходимо уметь использовать термодинамические параметры для расчета констант равновесия и свободной энергии.

Немаловажную роль при разработке олимпиадных задач играют межпредметные связи. Нельзя рассматривать химию в отрыве от других естественных наук. В различных областях химии необходимы знания по физике, биологии, геологии, географии и, конечно же, математике. Введение в содержание заданий материала из других наук ни в коем случае не умаляет их «химичности», а, напротив, способствует расширению кругозора участников олимпиады, осознанию ими места химии в современном естествознании, творческому развитию химических знаний школьников. Такие «межпредметные» задачи усиливают химическую составляющую и показывают тесную взаимосвязь естественных наук.

Межпредметные связи

2. За всю историю проведения олимпиад уровень сложности задач постоянно возрастал. Однако независимо от уровня сложности с самого начала авторы олимпиадных задач старались сделать их нетривиальными по содержанию, по форме, по подходам к решению (то, что сейчас называется творческими заданиями). В разное время задачи подавались в разных формах.

– Условие с четко сформулированным вопросом или заданием в конце. При этом вопросов может быть несколько. Выстраивается определенная логика вопросов.

– Тесты с выбором ответа*.

– Задачи, в которых повествовательный текст прерывается вопросами (так зачастую строятся задачи на Международной олимпиаде).

3. Задачи по химии классически подразделяют на две группы: качественные и расчетные (количественные).

Основные группы задач по химии

Качественные задачи:

• объяснение экспериментальных фактов (например, спектров);

• распознавание веществ;

• получение новых соединений;

• предсказание свойств веществ, возможности протекания химических реакций, описание, объяснение тех или иных явлений;

• разделение смесей веществ.

Количественные задачи:

• расчеты состава смеси (массовый, объемный и мольный проценты);

• расчеты состава раствора (способы выражения концентрации, приготовление растворов заданной концентрации);

• расчеты с использованием газовых законов (закон Авогадро, уравнение Клапейрона–Менделеева);

• выведение химической формулы вещества;

• расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические соотношения);

• расчеты с использованием законов химической термодинамики (закон сохранения энергии, закон Гесса);

• расчеты с использованием законов химической кинетики (закон действия масс, уравнение Аррениуса).

Единой типологии олимпиадных задач по химии нет, да и навряд ли возможно ее разработать (может быть, она и не нужна). Говоря об олимпиадных задачах, необходимо помнить, что все они являются комбинированными, т.е. сочетающими в себе несколько типов задач.

Задачи химических олимпиад: от этапа к этапу, от тура к туру

Выше мы рассмотрели содержание, различные способы формулировок заданий и подходы к типологизации задач. Немаловажными характеристиками задач являются трудность и сложность.

В методике обучения химии сложность и трудность задачи – разные понятия. Остановимся подробнее на этом вопросе. Сложность – понятие объективное, оно показывает, что задача включает в себя несколько различных типов задач. Трудность – понятие субъективное, это восприятие задачи субъектом (т.е. решающим ее человеком). Одна и та же задача для одного участника олимпиады может оказаться простой, для другого – трудной. В определенной степени показателем трудности задачи можно считать результативность ее выполнения. Для объективизации понятия «трудность» можно выделить такие условия, как:

• знакомство решающих с материалом задачи;

• знакомство решающих с подобным типом задач;

• знакомство решающих с различными способами (подходами) решения задач.

Немаловажную роль играют также способность правильно и полно воспринимать условия задачи и наличие у решающего химической интуиции.

Существуют определенные методические требования к олимпиадным задачам.

1) Содержание задачи должно опираться на примерную программу содержания ВОШ(х) соответствующего класса.

2) Для успешного решения задачи необходимо не только и не столько знание фактического материала, сколько умение учащихся логически мыслить и их химическая интуиция.

3) Задача должна нести познавательную нагрузку.

4) Задача должна быть комбинированной: включать вопросы как качественного, так и расчетного характера; желательно, чтобы в задаче содержался и материал из других естественно-научных дисциплин.

5) Задача должна быть интересна (не только с точки зрения занимательности). В ней должна быть «изюминка». По возможности и задачи, и вопросы должны быть составлены и сформулированы оригинально.

6) Условие должно быть сформулировано четко.

7) Условие не может занимать больше одной страницы печатного текста. Причем вопросы следует четко выделять или в тексте, или в конце текста задания.

8) Вопросы задачи должны быть сформулированы четко. На основе вопросов строится система оценивания.

Проблемой подготовки всех этапов олимпиады является не только разработка задач. Очень важно создание комплектов задач для различных классов.

Необходимо продумать:

• число задач в комплекте;

• соотношение качественных и расчетных задач;

• число «утешительных» задач**.

• как содержанием задач охватить все «блоки» для данного класса.

В зависимости от этапа эти вопросы решаются по-разному. Общими являются следующие подходы к составлению комплектов задач.

• Число задач должно быть реально решаемо за время, выделяемое для проведения тура. (Как показывает практика, для решения 6 задач отводится 5 астрономических часов. С 2007 г. – 5 задач, 5 часов.)

• От этапа к этапу должна нарастать сложность задач, расширяться и углубляться их содержание.

• В комплектах для 8-го класса (I – III этапы) 60–70% задач должны быть качественными. В комплектах для 9–11-х классов на всех этапах соотношение качественных и расчетных задач должно быть примерно 1:1.

• Число «утешительных» задач от этапа к этапу закономерно уменьшается. Однако минимальное число подобных задач должно быть не меньше 20–30% от общего числа задач в комплекте.

• Комплект заданий на каждый этап олимпиады по возможности должен охватывать все разделы курса химии соответствующего класса, а также содержать разнообразные по своему характеру и методам решения задачи.

• Если материал заданий недостаточно представлен в школьной программе, в качестве обучающего компонента должна быть дана краткая теоретическая справка.

• Широкое использование принципа преемственности заданий (от этапа к этапу даются задания на использование одного и того же понятия или процесса по нарастанию сложности).

• Решение задания должно быть понятным, логически выстроенным и включать систему оценивания.

• Желательно привлекать материал смежных дисциплин.

• По возможности следует использовать эпиграфы к задачам. Это, с одной стороны, «введение» в задачу, в котором автор может дать и подсказку. С другой стороны, эпиграф «очеловечивает» задачу, делает ее еще более интересной.

Можно предлагать одну и ту же задачу в комплектах для разных классов. (Имеется положительно зарекомендовавшая себя практика, когда одна и та же задача дается в комплектах 10-го и 11-го классов.) Представляет методический интерес оценить таким образом прочность знаний участников олимпиады.

Как показывает практика, на заключительном этапе Всероссийской олимпиады не следует ориентировать задания на Международную олимпиаду по химии. В противном случае заключительный этап станет выполнять несвойственную для него функцию, которую несут на себе сборы потенциальных участников Международной олимпиады. В Международной олимпиаде принимают участие только четыре лучших школьника 10-х и 11-х классов из 25–40 победителей заключительного этапа Всероссийской олимпиады.

Мы посвятили много слов задачам химических олимпиад, но следует отметить, что немаловажную роль играют и тексты решений задач. Решение должно быть развивающим, обучающим (ознакомительным). Таким образом, написание решения является не менее трудным процессом, чем создание самого задания.

Очень важную роль играет также система оценивания. Ее разработка – процесс не менее «энергоемкий» и такой же творческий, как написание условия и решения задачи. Система оценивания решения задачи опирается на поэлементный анализ. Особые сложности возникают с выбором оцениваемых элементов, т.к. задания носят творческий характер и путей получения ответа может быть несколько. Таким образом, перед авторами-разработчиками ставится сложная задача выявления основных характеристик ответов, не зависящих от путей решения. Система оценок должна быть гибкой и сводящей к минимуму субъективность проверки. При этом она должна быть четко детерминированной. Как правило, составляется рекомендательная система оценивания, учитывающая, по возможности, многообразие подходов к решению.

Хочется отметить самое главное: при подготовке школьников к решению и осмыслению олимпиадных задач, при изучении сложного материала должен быть заложен прочный фундамент общехимических знаний. В противном случае участник олимпиады будет хорошо разбираться в трудных узкоспециализированных вопросах, но не обладать основными химическими знаниями и умениями. Как писал Козьма Прутков: «Узкий специалист подобен флюсу. Широта его одностороння».

Следует подчеркнуть, что обладать знаниями – значит уметь их применять, мыслить. Поэтому при подготовке к олимпиаде необходимо уделять значительное внимание развитию навыков мыслительной деятельности, а не запоминанию фактологического материала. Развитие у учащихся мышления позволит им легко ориентироваться в новых для них теориях и фактах.

В заключении лекции мы прилагаем список рекомендуемой литературы и интернет-источников при подготовке к олимпиадам.

Л и т е р а т у р а

Школьные учебники, имеющие гриф «Допущен» или «Рекомендован»; Химия. Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998; Энциклопедия для детей Аванта+. Химия. Т. 17. М.: Аванта+, 2000; Задачи Всероссийской олимпиады школьников по химии. Под ред. В.В.Лунина. М.: Экзамен, 2003; Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 2003; Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. Под ред. А.И.Ермакова. М.: Интеграл-Пресс, 2000; Шрайдер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2-х т. М.: Мир, 2004; Еремин В.В. Теоретическая и математическая химия для школьников. М.: МЦНМО, 2007; Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир, 2006; Основы физической химии. Под ред. В.В. Лунина. М.: Экзамен, 2005; Шабаров Ю.С. Органическая химия. Т. 1, 2. М.: Химия, 1994; Травень В.Ф. Органическая химия: Учебник для вузов. В 2-х т. М.: ИКЦ «Академия», 2004; Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х т. М.: Мир, 1985; Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2002; Основы аналитической химии. В 2-х кн. Под ред. Ю.А.Золотова. М.: Высшая школа, 1999; Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по аналитической химии. М.: Мир, 2001; Практикум по общей химии: Учебное пособие. Под ред. С.Ф. Дунаева. М.: Изд-во МГУ, 2005.

Д о п о л н и т е л ь н а я  л и т е р а т у р а

Химическая энциклопедия. В 5-ти т. М.: Советская энциклопедия, 1988–1998; Леенсон И.А. Почему и как идут химические реакции. М.: Мирос, 1995; Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969; Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии. В 2-х т. М.: Мир, 1982; Хаусткрофт К., Констебл Э. Современный курс общей химии. В 2-х т. Пер. с англ. М.: Мир, 2002; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Неорганическая химия. В 4-х т. Под ред. Ю.Д.Третьякова. М.: Академия, 2004–2007; Полинг Л. Общая химия. М.: Мир, 1974; Реми Г. Курс неорганической химии. В 2-х т. Пер. с нем. Под. ред. А. В. Новоселовой. М.: Иностр. лит., 1963; Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. М.: Мир, 2002; Тиноко И. Физическая химия. Принципы и применение к биологическим наукам. М.: Техносфера, 2005; Эткинс П. Кванты. Справочник концепций. М.: Наука, 1977; Химия: Энциклопедия химических элементов. Под ред. А.М.Смолеговского. М.: Дрофа, 2000; Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия. М.: Химия, 1989; Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. В 4-х т. М.: Мир, 1984–1985; Химия и жизнь (Солтерсовская химия). Ч. I, II и IV. Пер. с англ. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1997; Воскресенский П. И. Техника лабораторных работ. М.: Химия, 1966; Степин Б.Д. Техника лабораторного эксперимента в химии. М.: Химия, 1999; Химия и жизнь (Солтерсовская химия). Ч. III. Практикум. Пер. с англ. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1997; Реутов О.А.; Курц А.Л.; Бутин К.П. Органическая химия. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.

 

ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ

• Сайт фундаментального химического образования России. Наука. Образование. Технологии: http://www.chem.msu.ru.

Здесь собрана информация обо всех химических олимпиадах.

• Сайт Всероссийской олимпиады школьников: http://rusolimp.ru. Данный портал объединяет Всероссийские олимпиады по всем предметам. Химия: http://chem.rusolymp.ru.

Эти интернет-ресурсы являются, в первую очередь, информационными, т.е. они предоставляют актуальную информацию о текущих событиях. С другой стороны, они же являются и ценными творческими базами заданий – на них собраны олимпиады за много лет.

• Сайт для подготовки к олимпиадам высокого уровня: http://chem.olymp.mioo.ru.

Этот портал является наиболее методически разработанным и информационно насыщенным, нацеленным на прямую работу с высокомотивированными школьниками. Портал организован Департаментом образования г. Москвы, Московским институтом открытого образования при участии Московского центра непрерывного математического образования для дистанционной подготовки к олимпиадам по математике, информатике, биологии, химии, географии и физике.

Сайт ориентирован на учащихся, желающих успешно выступать в олимпиадах высокого уровня. Зарегистрированным пользователям предлагаются учебные курсы по биохимии, квантовой химии, неорганической химии, органической химии, химии высокомолекулярных соединений, химической кинетике, химической термодинамике, аналитической химии. Задачи для всех этих курсов разбиты по трем уровням сложности. Преподаватели проверяют решение задач и дают консультации on-line (посредством icq) и off-line (посредством электронной почты). Сайт может быть также полезен учителям-наставникам, т.к. там имеется база химических задач. В настоящее время портал находится в стадии заполнения, но скоро он начнет работать в полную силу.

---

* В 1970-е гг., на пике программированного обучения, были сделаны попытки использовать тестовые задания на олимпиадах различного уровня. Как показала практика, тестовые задания не могут быть олимпиадными, т.к. они не выявляют самого главного – способности к мышлению, к творчеству.

** Задача, за которую принимаются практически 100% участников и получают более 70% от максимального балла.

Методические основы подготовки к олимпиадам по химии. Лекция № 3