В процессе решения олимпиадных задач востребованными оказываются не только знания, но и умение логически оперировать ими. Логические способности учеников могут быть развиты только в том случае, когда они активно участвуют в процессе усвоения новых знаний. Одним из наиболее эффективных методов развития у учащихся самостоятельного логического мышления является проблемное обучение, т.к. именно оно наиболее близко творческой деятельности ученого, которая характеризуется применением гипотезы, доказательства, эксперимента.
Приемы создания проблемных ситуаций выбираются в зависимости от конкретного содержания учебного материала. В одних случаях проблемная ситуация создается с явной опорой на имеющиеся знания учащихся. Опираясь на них, учащиеся делают вывод, который оказывается в противоречии с фактами. Это означает, что знания недостаточны и нужна дополнительная информация для разрешения возникшего противоречия. Такой вариант проблемной ситуации всегда вызывает острый интерес у учащихся, отсюда и познавательная эффективность бывает высокой. Например, в процессе изучения закономерностей изменения химических свойств элементов побочных подгрупп периодической системы Д.И.Менделеева сначала выясняется вопрос об изменении радиусов их атомов. Учащиеся, основываясь на известных им закономерностях изменения атомных радиусов элементов в главных подгруппах, делают вывод, что с возрастанием числа энергетических уровней в атомах элементов побочных подгрупп их радиусы возрастают. Сообщение о том, что атомный радиус возрастает только при переходе от элемента, начинающего побочную подгруппу, к следующему элементу, а далее остается практически постоянным, несмотря на увеличение числа энергетических уровней в атомах, создает проблемную ситуацию. С целью ее разрешения учащимся предлагается проанализировать, какие ряды элементов располагаются в периодической системе между вторым и третьим, а так же третьим и четвертым (если таковой имеется) элементами побочных подгрупп, например, между серебром и золотом (если в качестве примера рассматривается побочная подгруппа 1 группы, что является наиболее целесообразным, так как учащимся из жизненного опыта хорошо известны свойства простых веществ, состоящих из атомов элементов побочной подгруппы 1 группы). После соответствующей работы с периодической системой Д.И.Менделеева учащиеся выясняют, что золоту предшествует ряд лантаноидов; вспомнив, что в данном ряду элементов наблюдается эффект f-сжатия, учащиеся легко разрешают противоречие между фактом увеличения числа энергетических уровней в атомах элементов побочных подгрупп и фактом постоянства их атомных радиусов. Но разрешением этого противоречия проблемные ситуации, возникающие в процессе рассмотрения данного вопроса, не заканчиваются. Опираясь на свой жизненный опыт, учащиеся вспоминают, что серебро и золото являются так называемыми драгоценными металлами, что обусловлено их низкой металлической активностью. У меди металлические свойства проявляются намного ярче (многие ученики вспоминают, что не раз наблюдали, особенно во влажном воздухе, образование зеленого налета на медной поверхности, что свидетельствует о протекании химической реакции с участием меди). Таким образом, снова возникает противоречие: атомный радиус меди меньше, а металлическая активность выше. Это как раз тот случай, когда знания учащихся для разрешения проблемной ситуации недостаточны и им нужна дополнительная информация. На этом этапе изучения вопроса необходимо познакомить учеников с представлениями о строении атома квантовой механики, в частности, с так называемым “эффектом проникновения”, различная степень проявления которого в атомах разных ?-элементов и определит прочность связи внешнего электрона с ядром атома, а значит и объяснит возникшее противоречие. Еще одна проблема выявляется в связи с установлением присутствия одинаковых закономерностей изменения атомных радиусов и свойств элементов в побочной подгруппе III группы и в главных подгруппах периодической системы. Разрешить эту проблему учащиеся могут самостоятельно, выяснив, какие именно элементы образуют побочную подгрупу III группы и проанализировав особенности строения их атомов.
Аналогичный вариант проблемной ситуации можно проиллюстрировать следующим примером: анализируя последовательность металлов в электрохимическом ряду напряжений, учащиеся обращают внимание на тот факт, что начинается он литием, что означает наиболее ярко выраженную у данного элемента металлическую активность по сравнению с другими металлами. Сопоставляя положение металлов в главной подгруппе 1 группы периодической системы Д.И.Менделеева, учащиеся делают вывод, что литий среди этих металлов характеризуется наоборот наиболее низкой металлической активностью. Возникает противоречие, которое учащиеся в состоянии разрешить самостоятельно, если предложить им проанализировать роль растворителя, в частности воды, в процессе стабилизации катионов металлов, напомнив при этом, что электрохимический ряд напряжений составлен для водных растворов.
Другой вариант проблемной ситуации характеризуется тем обстоятельством, что никаких прогнозов о строении и свойствах веществ учащиеся на момент создания проблемной ситуации еще не в состоянии сделать, т.е. выдвинутая проблема находится за пределами их знаний. Например, учащимся предлагается установить последовательность соединения атомов в молекуле предельного одноатомного спирта на основании его молекулярной формулы. При этом надо учесть, что до этого момента кислородсодержащие органические соединения учащимися не изучались. Из анализа вариантов структурных формул выясняется, что атом кислорода может занимать два разных положения. Опираясь на теорию А.М.Бутлерова, учащиеся делают вывод, что двум полученным вариантам строения отвечает два разных комплекса свойств. С помощью эксперимента учащиеся приходят к однозначному определению строения молекулы спирта.
Проблемное изучение химии всегда связано с интенсивным логически выстроенным мыслительным процессом, с широким использованием в ходе решения учебной проблемы аргументации рассуждений и доказательности истинности суждений. Важное место здесь занимают межпредметные связи с курсом математики и физики, установления которых требует развитие современной науки, возникновение комплексных проблем, связанных с интеграцией научного знания. Современному химику необходимо иметь единый комплекс химических, математических и физических знаний. Только их совокупность поможет или утвердить правильность выдвинутых гипотез, или опровергнуть их.
Элементы математических расчетов используются для усиления содержательных положений, которые дают химия и физика. Например, в процессе решения задачи учащиеся, зная, что продуктом окисления неизвестного вещества Х является бензойная кислота, предполагают, что этим веществом может быть: а) монозамещенное алкилпроизводное бензола; б) бензиловый спирт; в) бензальгид. При условии отсутствия информации о качественном и количественном составе вещества Х, а так же особенностях его химических свойств выбрать один из перечисленных вариантов можно только в случае анализа мольных соотношений исходного вещества Х и продукта его окисления – бензойной кислоты. Очевидно, что без применения грамотных математических расчетов эту проблемную ситуацию разрешить невозможно.
Установление межпредметных связей с курсом физики можно проиллюстрировать следующим примером проблемной ситуации.
В процессе знакомства с работой гальванических элементов (в рамках изучения раздела “Электрохимические свойства металлов” курса общей химии) выясняется, что катодом является положительно заряженный электрод, а анодом – отрицательно заряженный, что противоречит общеизвестным определениям катода и анода. Возникшее противоречие учащиеся могут разрешить, если проанализируют суть окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах при работе гальванического элемента и в процессе электролиза. Выясняется, что на катоде всегда происходит реакция восстановления, а на аноде – окисления, независимо от того, идет ли речь о процессах электролиза или работе гальванического элемента. Таким образом, учащиеся делают вывод, что принадлежность электрода к тому или иному виду определяется не его зарядом, а сущностью протекающего на нем электрохимического процесса.
Таким образом, в ситуации учебной проблемы ранее сформированные понятия, полученные сведения, приобретенные умения получают развитие, углубляются новыми доказательствами. В процессе применения метода проблемного обучения достигается постепенное формирование у учащихся умения самостоятельно выделить проблему, а затем приступить к нахождению оптимального варианта ее решения. Этот навык особенно востребованным оказывается в процессе решения олимпиадных задач.
Например, чтобы ответить на вопрос, являющийся одним из этапов решения олимпиадной задачи, (не пользуясь справочными данными), у какого из приведенных спиртов: пропанол-1, бутанол-1, бутанол-2, 2-метилпропанол-2- температура кипения будет наибольшей, учащиеся должны составить следующую цепочку логических рассуждений: температура кипения тем выше, чем сильнее межмолекулярное взаимодействие; межмолекулярное взаимодействие тем сильнее, чем сильнее межмолекулярные водородные связи; межмолекулярные водородные связи тем сильнее, чем больше величины частичных положительного и отрицательного зарядов соответственно на атомах водорода и кислорода гидроксогруппы спирта; указанные заряды тем больше, чем более полярной является ковалентная связь –О-Н; и наконец, ковалентная связь –О-Н тем более полярна, чем меньше электронодонорные свойства (положительный индуктивный эффект) алкильного радикала, связанного с гидроксогруппой. Сравнивая строение алкилов и, как следствие, их электронодонорную способность, учащиеся путем логических умозаключений приходят к правильному ответу.
Логических рассуждений требует и ответ на вопрос: почему при движении по главной подгруппе IV группы сверху вниз увеличивается тенденция к двухвалентному состоянию?
Уже сама постановка вопроса подсказывает логику рассуждений. Очевидно, двухвалентное состояние свинца более энергетически выгодно, чем четырехвалентное. Этот факт означает, что на превращение электронной конфигурации 6s26p2 внешнего энергетического уровня в атоме свинца в электронную конфигурацию 6s16p3 затрачивается больше энергии, чем выделяется впоследствии при образовании дополнительной связи, что согласуется с возрастанием разницы в энергиях s- и р- орбиталей атомов элементов периодической системы Д.И.Менделеева по мере роста зарядов их атомных ядер.
На подавляющее большинство вопросов, возникающих в процессе изучения химии и решения олимпиадных задач, можно найти верный ответ, опираясь на логику химического мышления.
В процессе выполнения заданий, требующих составления логической цепочки рассуждений, у учащихся формируется проектно-исследовательское мышление; способность к самостоятельному установлению причинно-следственных связей взаимообусловливающих характеристик вещества: строения и свойств. Способность к самостоятельному логическому мышлению дает учащимся уверенность в своих силах, что очень важно для поддержания хорошего рабочего настроения и успешной работы над решением задачи.
Развитая логика химического мышления позволяет творчески подходить к анализу условий любой задачи и, как следствие, выбирать оптимальный вариант ее решения. Это умение особенно необходимо в процессе решения олимпиадных задач.