Моделирование на уроках химии

Одно из направлений работы школы в настоящее время состоит в модернизации содержания образования, адекватного потребностям общества. Основное внимание в этой работе уделено профилизации обучения на старшей ступени общеобразовательной школы.

Профильное обучение в настоящее время рассматривается как “…средство дифференциации и индивидуализации обучения, когда за счёт изменений в структуре, содержании и организации образовательного процесса более полно учитываются интересы и склонности учащихся, создаются условия для образования старшеклассников в соответствии с их профессиональными интересами и намерениями в отношении продолжения образования”. [1].

В соответствии с Федеральной программой развития образования профильное образование введено с 2006-2007 учебного года во всех регионах России. В МОУ “Корниловская средняя школа” в 2006-2007 учебном году был открыт 10 химико-биологический профильный класс, а также в 2008-2009, 2009-2010 учебных годах.

Переход к профильному обучению преследует несколько целей. Среди них – обеспечение углублённого изучения отдельных предметов, расширение возможностей социализации учащихся, обеспечение преемственности между общим и профессиональным образованием, а также более эффективная подготовка выпускников школы к освоению программ высшего профессионального образования. [3].

Инновация (от лат. in – в, novus- новый) означает нововведение, новшество. Главным показателем инновации является прогрессивное начало в развитии школы. Поэтому инновации в системе образования могут внести изменения, например в цели, содержание, методы и технологии, формы организации, в стили педагогической деятельности и организацию учебно-познавательного процесса, в систему контроля и оценки уровня образования, в деятельность учителя и ученика и т.п. Нововведения могут быть также в средствах педагогического процесса. По признаку масштабности (объёму) нововведения могут быть локальными и единичными, комплексными, системными; по признаку инновационного потенциала выделяют радикальные преобразования, комбинаторные, модификации известного, связанные с усовершенствованием, рационализацией, видоизменением уже принятого. [2].

Мой инновационный опыт методической работы заключается в выборе метода обучения – моделирование, где в качестве средства педагогического процесса выбрано моделирование углеродного скелета молекул веществ в виде фишек. Несомненно, данное нововведение является единичным, модификацией известного, видоизменением уже принятого. Источником идеи обновления послужило творчество и интуиция, педагогический опыт, как путь проб и ошибок.

Для школьного курса химии наибольшее значение имеют те понятия, которые составляют теорию строения, так как они позволяют объяснить различные химические явления, процессы. В ходе анализа выполненных учащимися контрольных работ на уроках, задач и упражнений на занятиях элективного предмета, заданий контрольно-измерительных материалов при подготовке к ЕГЭ приходишь к выводу, что ошибки школьники допускают однотипные. Например, переносят признаки одного химического понятия на другое, смешивают понятия, свойства веществ, затрудняются объяснить особенностями строения, не умеют переносить знания на новые факты (применение знаний в новой ситуации), неглубоко используют теорию для объяснения фактов.

Причины ошибок могут быть в следующем: не каждое химическое понятие удаётся раскрыть полностью из-за большого их количества на отдельном уроке; отсутствует систематическое развитие некоторых химических понятий в процессе преподавания; редко применяется моделирование молекул веществ, химических процессов, производств; не всегда удаётся использовать приёмы систематизации и обобщения знаний учащихся по причине большого объёма теоретического материала и ряд других причин. Выявить типичные ошибки и найти причины их проявления, это одно, а главное найти пути предотвращения ошибок учащимися, повысить качество знаний, умений, навыков.

Курс органической химии в старшей профильной школе начинается с изучения строения органических веществ, теории строении А.М.Бутлерова. Так как основным вопросом является зависимость свойств вещества от его строения, для школьного курса химии этот материал имеет первостепенное значение. Для его понимания учащиеся должны получить знания о теориях химического, электронного и пространственного строения органических веществ.

Молекула вещества характеризуется химическим, пространственным строением. Не зная одного – химического строения, невозможно узнать другое – расположение атомов молекулы в пространстве. Химическое строение – это базис для установления пространственного строения. Установление пространственного строения – более высокий этап познания строения. Для понимания закономерностей химических реакций необходимы знания о составе, химическом и пространственном строении и электронной теории химической связи. Понятия химии высокомолекулярных соединений непосредственно связаны с составом и строением. Все эти понятия находятся во взаимосвязи и взаимозависимости.

В курсе органической химии в отличие от неорганической меняется соотношение конкретного и абстрактного материала в сторону усиления абстрактного. Многие понятия связаны с познанием явлений микромира, где в основном отсутствует возможность использования химического эксперимента.

Возрастание абстрактной мыслительной деятельности учащихся в связи с повышением теоретического уровня курса органической химии приводит к повышению роли различных средств наглядности (моделирования, химического эксперимента, технических средств и других) в процессе формирования понятий. Всё больше возрастает гносеологическая роль моделей, так как современное научное знание становится всё опосредованнее, абстрактнее. Модели в учебном процессе облегчают задачу учащимся в познании абстрактных понятий курса органической химии. [5].

Моделирование – один из методов научного познания.

Учащимся поясняют, что модель (от лат. modulus – образец, эталон, мера) – это искусственно созданный объект (образец) в виде конструкции или условного изображения его с помощью схемы, чертежа, графика, карты, рисунков, знаков, формул и др.

С моделями учащиеся знакомились с детства (игрушки, конструкторы, заводные машины и др.). В школе учащиеся используют глобус – модель Земли, географическую карту – модель поверхности Земли. Им знакомы биологические модели в виде муляжей внутренних органов человека и животных; математические модели в виде чертежей, систем математических уравнений. В химии используют модели строения атома, вещества, шаростержневые и сферические модели молекул, модели химических производств.

Моделирование – это метод исследования, при котором объект замещается другим объектом, находящимся в отношении подобия к первому объекту. В химии моделирование занимает одно из ведущих мест, потому что непосредственное наблюдение внутреннего мира веществ невозможно.

Способность к моделированию во многом определяет способность учащихся к познанию. Для выпускника школы умение моделировать социально значимо. Моделирование – процесс, требующий построения образных представлений о реальности, логической проработки созданной модели и её перестроения, если появляются противоречащие факты. Формирование у школьников способностей к моделированию представляется важным направлением обучения познанию. [1].

Модель позволяет выделить наиболее существенные стороны объекта, обратить на них особое внимание. Например, при рассмотрении моделей строения молекул предельных углеводородов акцент делается на тетраэдрическое строение атома углерода. Модели можно использовать для проблемного изложения. Например, выяснив вопрос о тетраэдрическом строении молекулы метана, можно будет поставить перед учащимися проблему о пространственном строении его гомологов.

В процессе моделирования ученику необходимо проделывать логические операции – сравнение и аналогию, анализ и синтез, систематизацию и обобщение. В основе выполнения моделей лежат умственные действия. Составление моделей способствует у ученика развитию мотивационной сферы, интеллекта, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью. [1]. В этом и есть смысл личностно ориентированного подхода в образовательном процессе. Так, например, в процессе моделирования учеником углеродного скелета молекулы вещества, пространственного расположения атомов в молекуле, главной является деятельность познания химии; ученик является на уроке центральной фигурой; приоритетными становятся самостоятельное приобретение учащимися химических знаний и применение полученных знаний о веществах. Работа ученика по конструированию углеродного скелета молекул совместно с одноклассниками является активной формой обучения, нежели просмотр слайда или видеоролика по данной теме. В процессе общения учитель – ученик, ученик – ученик проявляется взаимное уважение к личности. Во главу угла ставится не сама химия с её основными понятиями, а ученик, который эти понятия должен усвоить в процессе индивидуальной учебной деятельности (человекоцентрический подход).

В процессе моделирования у школьника успешно формируется предметная химическая компетентность. Компетентность заключается в развитии представления о том, что окружающий мир состоит из веществ, которые характеризуются определённой структурой и способны к взаимным превращениям; существует связь между структурой, свойствами и применением веществ; в формировании химического мышления, умения анализировать явления окружающего мира в химических терминах, способности говорить и думать на химическом языке. [3].

Вместе с тем учащиеся должны понимать, что модели упрощают объект, так как в них отражаются лишь определённые существенные стороны объекта. Модели отражают современное знание об объекте, они не отходят от истины, а приближаются к ней. Модель сама нуждается в теоретическом истолковании. [1].

В процессе обучения химии я использую различные модели: знаковые (молекулярные и структурные формулы); шаростержневые модели молекул, применяя комплект лабораторного оборудования “Моделирование молекул” (3053RМ и 3054RМ); модели гибридных облаков с помощью воздушных шаров, а также модели углеродного скелета молекул в виде фишек (см. приложение-фото 17)

Фишки (кружочки) вырезаются учащимися из цветного картона диаметром 15-20мм, стерженьки – шириной 5мм, длиной 30-35мм. Количество фишек и стерженьков определяет сам учитель, их число можно увеличить. Во время работы на уроке по моделированию у каждого ученика имеется конверт с фишками.

Так как органические вещества – это соединения элемента углерода, то фишка будет символизировать атом углерода, а стержень – химические связи между атомами в молекуле. Фишки следует вырезать из картона одного цвета. Для атомов углерода используем картон черного цвета, по аналогии окраски шариков в шаростержневых моделях. Если потребуется показать наличие заместителя, например, атом галогена или функциональную группу, необходимо применить фишку другого цвета: для атома галогена – зелёный цвет, для функциональной гидроксогруппы – красный, аминогруппы – синий. Так как моделирование рассчитано только на изображение углеродного скелета молекулы вещества, атомы водорода показывать не обязательно (на усмотрение учителя).

Моделирование углеродного скелета молекул органических веществ ориентировано на формирование знаний, умений, навыков учащихся по теме “Химическое строение вещества”. Но оно никоим образом не заменяет работу по моделированию молекул веществ с помощью шаростержневых моделей, способствующих формированию понятия “пространственное строение вещества”.

Понятие “строение органического вещества” изучается в логической цепочке в курсе химии: химическое – электронное – пространственное строение. Моделирование углеродного скелета молекул веществ с помощью фишек я использую при объяснении химического строения вещества. Воздушные шары как модели гибридных облаков углеродных атомов применяю для формирования у школьников понятия “электронное строение вещества”. Шаростержневые модели молекул позволяют объяснить ученикам расположение атомов в молекуле в пространстве. Данные средства обучения применяю широко в течение всего учебного года.

Моделирование углеродного скелета молекул веществ можно использовать при объяснении нового материала, при повторении, закреплении пройденного, возможно организовать домашнюю работу по выполнению упражнений. Формы обучения могут быть также различными: с фишками работает один ученик, работа в паре или в малокомплектной группе. Ученик не только слушает учителя, моделирует углеродный скелет молекулы по его указанию, но и выполняет самостоятельно, “живёт” своими мыслями, конструируя модель, ждёт одобрения учителя, поддержки одноклассников. Такой вид деятельности связан с созданием коммуникативной среды, расширением пространства сотрудничества на уровне “учитель – ученик”, “ученик – ученик”, “учитель – автор”, “ученик – автор” в ходе постановке и решения учебно-познавательных задач.

С помощью воздушных шаров, демонстрируя формы s- и p- орбиталей, можно объяснить механизм образования ковалентной связи, способы перекрывания орбиталей, познакомить с длиной химической связи. А также рассмотреть три валентных состояния атома углерода как следствие sp³-, sp²- и sp-гибридизации (см. приложение – фото 17).

Комплекты лабораторного оборудования “Моделирование молекул” (3053RМ и 3054RМ) позволяют организовать естественнонаучный практикум по моделированию молекул веществ в курсе химии. Наборы предназначены для индивидуальной работы учащихся или работы в малых группах. Молекулярные модели наглядно демонстрируют стехиометрическую валентность и пространственное расположение атомов, входящих в молекулы. С помощью данного комплекта можно смоделировать молекулы веществ разных классов, рассмотреть явление гомологии и изомерии, прояснить механизмы многих химических реакций, познакомить с валентными состояниями атома углерода, облегчить выведение структурных формул, как в неорганической, так и в органической химии.

По программе курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений О.С.Габриеляна (профильный уровень) тематическое планирование составляю по 102 учебных часа в 10 и 11 классах. Курс органической химии 10 класса начинается с Введения, на который предусмотрено 5 часов, и 10 часов даётся на изучение темы 1 “Строение и классификация органических соединений”. Полученные в начале учебного года теоретические знания учащихся закрепляются и развиваются на богатом фактическом материале химии классов органических соединений, которые рассматриваются в порядке усложнения от более простых (углеводородов) до наиболее сложных (биополимеров). Для школьного курса органической химии, построенного на определённых дидактических принципах (научность, доказательность, доступность, историчность и др.), основой является теория химического строения.

Классическая теория химического строения даёт возможность судить о порядке соединения атомов в молекулах, позволяет отражать строение в виде структурных формул, по строению предсказывать их свойства. Структурные формулы – основа научного языка органической химии, с их помощью формируются многие химические понятия. [5]. Уже с первого урока учащиеся должны уметь составлять молекулярные и структурные формулы веществ, знать причины многообразия органических соединений. Применяя моделирование углеродного скелета молекул веществ, этих требований к уровню подготовки обучающихся можно добиться легко и быстро. При моделировании важно проследить за тем, чтобы школьники могли отразить на бумаге графическое строение вещества, изображая полные или сокращенные структурные формулы.

Можно познакомить учащихся, прибегая к моделированию, с четырехвалентностью углерода, свойством его атомов образовывать одинарные и кратные связи (смотри приложение, фото 1).

Учащиеся должны знать о свойстве атомов углерода образовывать прямые, разветвленные и замкнутые цепи (смотри приложение, фото 2).

Следует научить школьников за короткий период писать полные и сокращенные структурные формулы веществ. Часто дети путают число атомов водорода, которые должны быть связаны с тем или иным атомом углерода в молекуле вещества. По числу стерженьков в моделях согласно четырехвалентности углерода, учащиеся прописывают правильное количество водородных атомов в структурной формуле веществ разных классов (алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов и других) на бумаге, и практически не делают ошибок в будущем (смотри приложение, фото 3 -7).

При моделировании углеродного скелета молекул веществ учащиеся легко понимают и запоминают, что такое первичные, вторичные, третичные, четвертичные атомы углерода (смотри приложение, фото 8).

Во многих сборниках заданий на повторение, закрепление пройденного учебного материала предлагаются упражнения на определение количества изображенных веществ в виде структурных формул. Не каждый ученик уже на первых уроках сможет правильно выполнить такое задание. Надо научить его видеть углеродный скелет молекулы вещества, определённый порядок соединения атомов углерода, научить нумеровать углеродную цепь (смотри приложение, фото 9). На моделях можно сохранить химические связи только между углеродными атомами.

Для закрепления и заучивания валентных состояний атома углерода в молекулах веществ разных классов можно предложить учащимся выполнить следующее задание: изобразите углеродный скелет вещества, в молекулах которого есть атом углерода в sp³, sp², sp -гибридном состоянии (смотри приложение, фото 10). Или покажите углеродный скелет молекулы вещества, в которой все атомы углерода находятся в sp³, sp², sp -гибридном состоянии (смотри приложение, фото 11).

Первоначальные сведения о гомологии в курсе органической химии даются индуктивно: вначале изучаются один - два наиболее типичных и важных гомолога (состав, строение, физические свойства), а затем – гомологический ряд (смотри приложение, фото 12). Этот принцип соблюдается при рассмотрении предельных, непредельных и ароматических углеводородов, спиртов. Начиная с альдегидов и карбоновых кислот, вводится дедуктивный принцип изучения гомологии, который сохраняется для всех последующих классов соединений. Необходимые сведения об отдельных гомологах даются после изучения гомологического ряда. Явление гомологии позволяет понять закон перехода количественных изменений в качественные. Изучение гомологических рядов при выполнении упражнений в процессе моделирования не только дает возможность выявить определенные закономерности зависимости свойств веществ от строения, но и позволяет раскрыть важные понятия “многообразие органических соединений”, “генетическая связь”. [5].

Для закрепления основных положений номенклатуры ИЮПАК как системы названий веществ выполняются различные упражнения. Например: составьте углеродный скелет молекулы любого предельного одноатомного спирта и назовите его или по названию вещества составьте углеродный скелет молекулы (смотри приложение, фото 13).

Формирование понятия изомерии слагается из трех этапов: первый включает выделение существенных признаков понятия и его определение; второй связан с выявлением связи между изомерами и гомологами; третий включает различные формы проявления существенных признаков изомерии при изучении последующих классов органических веществ, а также изомерию между веществами различных классов[5]. В процессе моделирования отрабатываем все признаки понятия изомерии на примере предельных углеводородов: состав – химическое строение – свойства. Строим углеродные скелеты молекул гомологов и рядом изомеров, сравниваем, в тетрадь заносим структурные формулы веществ, делаем выводы. При выполнении упражнений при моделировании указываем существенные признаки структурной изомерии (смотри приложение, фото 14), выясняем характерные черты межклассовой изомерии (смотри приложение, фото 15). При изучении разных классов органических веществ закрепляем данное явление изомерии как одно из причин многообразия веществ.

Моделирование углеродного скелета даёт возможность познакомиться с особенностями классификации веществ одного класса: например, выполнить упражнение по моделированию кумулированного, сопряженного и изолированного алкадиена (смотри приложение, фото 16) и другие.

В конце изучения темы “Теория химического строения органических веществ”, на уроках обобщения и систематизации знаний учащихся по рассмотрению учебного материала конкретного класса или группы веществ в качестве закрепления изученного применяю метод моделирования, используя фишки или шаростержневые модели (смотри приложение, фото 17).

Чем шире используются в учебном процессе модели, тем более глубоки знания учащихся о строении органических веществ. У школьников повышается теоретический уровень знаний по курсу органической химии, возрастает абстрактная мыслительная деятельность, расширяется объём и углубляется содержание формируемого понятия, развиваются познавательные способности, самостоятельность.

В процессе моделирования у учителя появляется возможность поддержать инициативу своих учеников, стимулировать их к творчеству в познавательной деятельности, которая носит частично-поисковый, поисковый, проблемный и даже исследовательский характер. Поведение учителя заключается в умении поставить учебно-познавательные проблемы так, чтобы вызвать интерес к размышлению, анализу и сравнению известных фактов, событий, явлений; в стимулировании к поиску новых знаний и нестандартных способов решения задач; в поддержке ученика на пути к самостоятельным обобщениям и выводам. Метод моделирования эффективно развивает образное мышление ученика, эмоционально-нравственную сферу его личности, стимулирует к саморефлексии и самопознанию, самораскрытию творческих способностей и ценностного отношения к миру; учит эмоциональному и диалогическому стилю общения с человеком, сотрудничеству и взаимоуважению, признанию его самоценности.

Список используемой литературы

1. Общая методика обучения химии в школе. Р.Г. Иванова, Дрофа, Москва, 2008 год.
2. Педагогика. Н. Бордовская, А. Реан, Питер, 2009 год.
3. Нормативная база ПО химии в средней (полной) школе. А.А.Каверина
4. Компетентностный подход как дидактическое условие предпрофильной и профильной подготовки учащихся. О.С.Габриелян, С.А.Сладков.
5. Проблемы обучения химии в условиях профилизации старшей школы. Н.В.Богомолова, П.А.Оржековский. Газета № 2/2007, "Химия", ИД "Первое сентября".
6. Лекция №7. Личностно ориентированные технологии обучения химии. О.С.Габриелян, В.Г.Краснова, С.А.Сладков. Газета № 23/2007. “Химия”, ИД "Первое сентября".
7. Методика формирования у учащихся основных понятий органической химии. И.Н.Чертков, Просвещение, Москва, 1991.
8. Программа курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений. О.С.Габриелян, Москва, Дрофа, 2009 год.
9. Настольная книга учителя. Химия. 10 класс. О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов, М., Дрофа, 2004 год.
10. Настольная книга учителя. Химия. 11 класс. В 2-х частях. О.С.Габриелян, Г.Г.Лысова, А.Г.Введенская. М., Дрофа, 2004 год.

Приложение