При обучении химии и в процессе подготовки к химической олимпиаде серьезное внимание необходимо уделять эксперименту, его совершенствованию.
Экспериментальный тур – неотъемлемая часть олимпиады по химии.
Как правило, он проводится в форме экспериментальных задач, в процессе решения которых учащиеся должны применить теоретические знания и практические умения; продемонстрировать творческий подход к работе, эрудицию, проявить индивидуальность. Поэтому в процессе подготовки к экспериментальному туру химической олимпиады перед учителем встает задача создания (при выполнении экспериментальной работы) учебной ситуации, обеспечивающей ученикам самостоятельное приобретение знаний в условиях творческого поиска.
В связи с этим особое значение приобретает многовариантная форма организации ученического эксперимента, которая позволяет обеспечить его индивидуальный характер. В каждом виде опыта предусматривается несколько вариантов (не менее четырех). Каждый учащийся выполняет свой вариант задания, фиксирует наблюдения, записывает уравнения реакций, делает выводы. При этом необходимо понимать, что не все опыты могут быть многовариантными. Причины могут быть разные: от ограничения в реактивах до отсутствия методической обоснованности. Например, для подтверждения амфотерных свойств какого-либо соединения можно использовать разные щелочи (NaOH; KOH) или кислоты (HCl; HNO3; H2SO4). Однако, вариантность оказывается мнимой, поскольку в каждом случае реакция сводится к взаимодействию с ионами -OH или +H соответственно.
Опыт работы показывает, что многовариантная форма ученического эксперимента вызывает у учеников повышенный интерес. Учащиеся более тщательно выполняют индивидуальные опыты, чаще обращаются к учебным пособиям. Такая форма организации экспериментальной работы в большей степени способствует развитию познавательной деятельности и самостоятельности учащихся, активизируя их мышление. Одновременно многовариантная форма работы позволяет выявить учеников, уровень знаний которых дает возможность предложить им дополнительные более сложные опыты.
Известно, что многие исследования в области естественных наук связаны с различными измерениями. Точная наука, по словам Д.И.Менделеева, “немыслима без меры”. В связи с этим не следует ограничиваться только качественными, так называемыми “пробирочными” опытами. В работу целесообразно включать количественный эксперимент; самостоятельное конструирование приборов, установок.
В процессе организации экспериментальной работы учащихся следует различать количественный опыт и количественную задачу. На решение задачи нет инструкции и учащиеся должны исходить исключительно из собственного запаса знаний, проектируя ход ее решения и прогнозируя результат. Иногда один и тот же количественный эксперимент, в зависимости от степени самостоятельности учащихся при его проведении, можно расценивать и как количественный опыт и как количественную задачу.
Одним из примеров количественного эксперимента является оценка скорости химической реакции и изучение ее зависимости от концентрации реагирующих веществ и температуры. В процессе обобщения результатов эксперимента учащиеся строят графики зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ и от температуры. На основании полученных графически оформленных результатов делаются выводы о характере установленных закономерностей. Значительный интерес вызывает у учащихся количественное определение жесткости воды (временной и общей), в процессе которого происходит знакомство с одним из методов количественного анализа – титрованием.
Любая количественная экспериментальная работа является средством развития исследовательских способностей учащихся. В процессе ее выполнения у учащихся вырабатываются навыки измерения массы, объема, плотности веществ, температуры. Ученики осваивают приемы работы с весами, бюретками, термометрами и т.д. Изучая количественную сторону химических явлений экспериментально, ученики начинают более глубоко понимать стехиометрические законы химии и правильно использовать их в процессе количественной оценки химических явлений; осознают значение соотношений между реагирующими веществами и продуктами реакций.
Особую роль в формировании у учащихся самостоятельного творческого мышления играет проблемный эксперимент. Это эффективное средство обучения и развития учащихся в процессе их подготовки к химической олимпиаде.
Примером проблемного эксперимента может являться следующий опыт. Сначала учащимся предлагается высказать суждение о возможности взаимодействия меди с раствором хлорида железа (III). Обсуждение данного вопроса служит подготовкой к созданию экспериментальной проблемной ситуации. Ученики, как правило, обращаются к ряду напряжений металлов и дают на вопрос отрицательный ответ, объясняя это так: реакция не пойдет, т.к. медь расположена в ряду напряжений правее железа и не может его вытеснить из раствора соли. Для проверки выдвинутого предположения проводят эксперимент: в пробирку с медными стружками учащиеся наливают 2-3 мл 1М раствора хлорида железа (III) и через 1-2 мин. обнаруживают, что окраска раствора изменилась с желтовато-коричневой на зеленую, что свидетельствует о происходящей химической реакции. Данный эксперимент создает проблемную ситуацию, так как возникает противоречие между предположением учащихся и результатами опыта. Для разрешения противоречия ученики должны выдвинуть и затем обосновать гипотезу о возможности окислительно-восстановительного взаимодействия меди и хлорида железа (III). В ходе беседы учащиеся приходят к заключению, что проведенный опыт выявляет и подтверждает окислительные свойства хлорида железа (III). В растворе катионы железа Fe3+ окисляют атомы меди:
Cu+2Fe3+—> Cu2+ + 2Fe2+
или в молекулярном виде: Cu+ 2FeCl3 —>CuCl2+2FeCl2
Так же создает проблемную экспериментальную ситуацию вопрос: каким образом будет происходить реакция между литием и раствором сульфата меди(II)?
Данный вопрос и последующая деятельность учеников по составлению уравнения реакции является подготовкой к созданию проблемной ситуации. Зная, что литий занимает в электрохимическом ряду напряжений металлов первое место, учащиеся, как правило, составляют ошибочное уравнение реакции взаимодействия лития с сульфатом меди(II). Чтобы экспериментально установить направление данной реакции, учащимся предлагается провести проблемный эксперимент: в 1М раствор CuSO4 помещают небольшой кусочек лития. На поверхности раствора соли меди протекает энергичная реакция, сопровождающаяся выделением газа. Поджигая газ, учащиеся на основании характерного “хлопка”доказывают, что это водород. Одновременно, если не проводить перемешивания раствора, в верней части пробирки образуется черный осадок, постепенно распространяющийся по всему объему раствора. Возникает вопрос, какое именно вещество выпадает в осадок и в результате каких химических реакций оно образуется? Чтобы помочь учащимся выдвинуть правильную гипотезу и разобраться в результатах опыта, необходимо предложить им вспомнить свойства щелочных металлов, а именно их способность активно взаимодействовать с водой. Эта реакция сопровождается выделением большого количества теплоты. Анализируя совокупность этих фактов, учащиеся составляют уравнения реакций:
Подобного рода эксперименты имеют исследовательский характер. Они дают возможность ученикам активно оперировать знаниями, прогнозировать преимущественное направление химических реакций, что в конечном итоге готовит их к решению более серьезных экспериментальных задач, в том числе и предлагаемых на химических олимпиадах.
Важным приемом познания в процессе обучения химии и подготовки к олимпиаде является так называемый мысленный “эксперимент”. В нем нет процесса воспроизведения на практике изучаемого явления, что характерно для реального эксперимента. Это рассуждения, точность которых зависит от правильности мышления. Мысленный “эксперимент” происходит исключительно в сфере сознания. Между мысленным и реальным экспериментом имеется общее: и тому, и другому предшествует продумывание, выдвижение гипотез, составление плана решения проблемы, задачи. Для них характерна высокая активность учащихся. Мысленный “эксперимент” начинается с построения учеником идеальной (мысленной) модели решения вопроса с учетом конкретного материала. При построении идеальной модели учащийся исходит из наколенного багажа знаний. Правильность выводов мысленного “эксперимента” проверяется, как правило, реальным экспериментом.
Приведу пример: решение экспериментальных задач по распознаванию веществ основано на использовании известных ученикам качественных реакций. При решении таких задач имеют значение: последовательность операций учащегося; сопоставление действия одного и того же реактива на предложенные вещества; выбор рационального пути (плана) решения экспериментальной задачи. Иначе говоря, ученик должен мысленно “провести эксперимент”, сопоставив различные варианты решения задачи. Так, при решении задачи, когда нужно качественно установить каждую соль из трех предложенных: растворы сульфата натрия, карбоната натрия и хлорида бария – наиболее рациональный путь следующий: действием раствора серной кислоты на пробы веществ определяют карбонат натрия (выделение газа) и хлорид бария (образование осадка), а действием установленного хлорида бария на пробу третьего вещества определяют сульфат натрия. Таким образом, для решения данной задачи требуется лишь один реактив. При распознавании классов органических веществ важно знание химических свойств функциональных групп. На основании строения веществ ученики выдвигают предположение о их химических свойствах и наоборот, на основании химических свойств делают заключение о строении вещества. Например, установление (с помощью соответствующих реакций) в молекулах карбоксильной группы и характера связей (по обесцвечиванию растворов перманганата калия и бромной воды) дает основание сделать вывод о том, что это вещество – либо непредельная кислота, либо муравьиная. Последнюю можно установить, проведя качественную реакцию “серебряного зеркала” на альдегидную группу.
Таким образом, мысленный “эксперимент” может быть связан с моделированием строения неизвестного вещества и предсказанием его свойств. Познавательное значение мысленного “эксперимента” заключается в том, что он дает возможность сформировать знания более высокой степени обобщенности, позволяет ставить проблемы (создавать проблемные ситуации) в процессе обучения и намечать пути их решения, подтверждать или опровергать предположения – все это важно для развития мыслительной деятельности учащихся, их самостоятельности. Сочетание реального и мысленного “эксперимента” дает большой педагогический эффект: прочные и глубокие знания; развитие творческой самостоятельности учащихся, что в конечном итоге обеспечивает успешное выполнение экспериментальных заданий, предлагаемых на химических олимпиадах.