Дипломная (вкр): Роль современного урока химии в формировании научного мировоззрения учащихся

Следующий шаг в развитии языка химии, на котором не только можно хранить, но и транслировать химическую информацию в учебной деятельности был сделан Й. Я. Берцелиусом (20.08.1779 - 7.08.1848). В 1818 г. он предложил обозначать символы химических элементов первыми буквами их латинских названий. Этой символикой мы пользуемся до сих пор. Учёный впервые применил для определения классов химических соединений приставки, суффиксы и окончания. Уточнённые им значения атомных масс элементов позволили правильно отражать в формулах их стехиометрические отношения. Для этого Берцелиус ввёл числовые индексы. Всё это позволило не только отражать состав вещества, но и перейти к моделированию химических реакции в виде уравнений.

В истории учебного предмета «Химия», к сожалению, не нашла должного отражения роль, которую сыграл как в становлении химической науки, так и в её преподавании итальянский профессор химии Станисло Канниццаро (13.07.1826 - 10.05.1910). А между тем его заслуга состоит в том, что в химии появился закон Авогадро, произошло чёткое разграничение основных понятий химии и в учебниках химии появилось атомно-молекулярное учение. Проанализировав в своей работе «Конспект курса химической философии» развитие атомно-молекулярных воззрений от Дж. Дальтона и А. Авогадро до Ш. Жерара и О. Лорана, Канниццаро на основе закона Авогадро, чётко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и сделал рекомендации, как определять атомные веса элементов и как составлять формулы веществ, зная их молекулярный вес (основываясь на данных о теплоёмкостях металлов и на плотности пара, а частично и на химических соображениях). Свой подход Канниццаро изложил в брошюре, которую лично раздал всем участникам Международного конгресса химиков в Карлсруэ, открывшегося 3 сентября 1860 года. На этом конгрессе все его предложения были приняты единодушно. С этого времени атомно-молекулярное учение и соответствующий ему химический язык получили всеобщее признание. На заседании Лондонского химического общества 30 мая 1872 года С. Канниццаро прочёл лекцию в честь Фарадея на тему «О пределах и о форме теоретического преподавания химии» [19]. В ней он доказал, что атомно-молекулярное учение должно быть предметом изучения и по химическим, и по педагогическим соображениям, которые заключаются в следующем:

) атомно-молекулярная теория есть «введение, подготовление, основание изучения превращений веществ», что составляет «настоящий предмет нашей науки»;

) химические законы (законы определённых и кратных пропорций, законы простых и сложных эквивалентов и объёмов газов) могут быть поняты надлежащим образом только с помощью атомно-молекулярной теории;

) атомно-молекулярная теория необходима для уяснения происхождения «значения, смысла и употребления химических знаков, формул и уравнений»; 4) атомно-молекулярная теория способствует развитию умственных сил учащихся;

) усвоение атомно-молекулярной теории позволит учащимся следить за развитием науки.

Сейчас, даже сложно представить, как следует построить методику изучения химического языка, обучения писать формулы и уравнения, не сформулировав основные положения атомно-молекулярного учения. Тем не менее, даже в первом издании «Основ химии» Д. И. Менделеева об атомах упоминается только в десятой главе в связи с рассмотрением атомистической гипотезы строения вещества, рассмотрев до этого без атомистических представлений и основные явления, и основные законы химии, и свойства растворов, и свойства водорода, кислорода и их соединений.

О важной методической роли атомно-молекулярного учения на этапе начального изучения химии указывал и В. Оствальд, который хотя и был противником атомистических представлений в науке (экспериментально в то время не подтверждённых), однако, в своём учебнике для школьников «Школа химии» (1904) он использует представление об атоме, «без которого хотя и можно обойтись, но которое удобное средство, для того чтобы облегчить понимание эмпирических данных» [22].

.3 Заключение к обзору литературы

В процессе обучения химии у учащихся могут формироваться устойчивые стереотипы мышления, что можно объяснить необходимостью использовать на этапе совершенствования знаний репродуктивных заданий, а также широким применением тестовых форм контроля, требующих стандартизированных ответов на стандартизированные задания. Таким образом, формирование у школьников стереотипов мышления - процесс естественный. Основная проблема заключается в обучении их осмыслению и переосмыслению сформированных стереотипов.

Одной из причин неспособности школьников к осмыслению и переосмыслению стереотипов мышления можно считать плохо развитые способности к рефлексии вообще. Обучение школьников решению творческих экспериментальных задач по химии позволит развить у них способности к рефлексии и, как следствие, сформировать критическое мышление [23].

В учебных программах не используется научно-практический потенциал химической науки. В результате выпускники школ получают мозаичное представление о природе, не умеют интегрировать разрозненную информацию, применять полученные знания в повседневной жизни и профессиональной деятельности.

Химическое образование необходимо для создания у школьников отчетливых представлений о роли химии в решении сырьевых, энергетических, продовольственных, медицинских проблем человечества.

По современным требованиям теперь необходимо иметь не только сами знания, но и знание о том, где и как их применять. Но еще важнее умение добывать, интегрировать или создавать новую информацию. И то, и другое, и третье - результат деятельности, а деятельность - это решение задач [24].

При использовании межпредметных заданий химико-физического содержания способствует формированию у учащихся интегративных умений проводить сравнительный анализ, устанавливать причинно-следственную связь, синтезировать и обобщать знания, решать задачи различными способами, грамотно пользоваться химическим и физическим языками [ 25 - 27].

Глава 2. Экспериментальная часть

В специализированных химических классах приемлемо шире использовать графические методы. Они наглядно демонстрируют, почему предлагаемая задача имеет единственное решение, в каком случае этих решений будет множество или, наоборот, решение невозможно.

Пример 2.1.1. Смесь магния с цинком массой 10 г растворили в соляной кислоте. В реакции выделилось 5,51 л водорода (н.у.). Сколько г цинка содержала смесь?

Решение:

Запишем уравнения реакций взаимодействия металлов с кислотой:

+2HCl→MgCl2+H2 (2.1);+2HCl→MgCl2+H2 (2.2).

Предположим, что в смеси содержится 10 г Mg, тогда в данной смеси веществ будет протекать только реакция (2.1). Зная молярную массу металла и значение молярного объема одного моль вещества, находим объем водорода выделившегося в результате этой реакции. Составим пропорцию:

Или

Решив, пропорцию получается ответ 9,33 л водорода выделилось бы в том случает если бы в смеси металлов было 10 г магния. Это противоречит данному условию задачи, так как объем выделившегося газа меньше чем 9,33 литра.

Предположим, что в смеси содержится 10 г цинка, тогда в данной смеси веществ будет протекать только реакция (2.2). Аналогично предыдущему примеру рассчитаем объём выделившегося водорода в результате протекания реакции (2.2). Составим пропорцию:

Или

Проведя расчеты, мы получаем следующий ответ: 3,45 л водорода выделиться, если в смеси будет содержаться 10 г цинка и 0 г магния. Данный ответ снова противоречит условию задачи.

Объём выделившегося газа по условию задачи это среднее значение между двумя крайними случаями рассмотренными выше:

,45л(10г Zn+0г Mg)<5,51(xг Zn+ у г Mg)<9,33(0г Zn+ 10г Mg).

Данную задачу можно решить следующим графическим способом:

Рис.2.1. Диаграмма зависимости смеси металлов от объёма выделявшегося газа

Горизонтальную линию диаграммы обозначаем как шкалу массы металла цинка, а вертикальная линия - шкала объёма выделявшегося газа. Точка на левой шкале объёма выделившегося водорода отвечает такому составу смеси, в которой содержаться 10 г магния и 0 г цинка, а точка на правой шкале - отвечает противоположному составу смеси. Соединив эти точки, мы получим прямую, которая указывает на зависимость состава смеси металлов от объема выделившегося газа в данной системе. В областях находящихся выше и ниже данной прямой данная задача физического смысла не имеет, а наклон прямой указывает на то, что данная зада имеет только одно решение.

По условию задачи известно, что объём газа составляет 5,51 л, найдя на вертикальной шкале данное значение, проводим перпендикуляр от точки до пересечения с кривой, а затем опускаем перпендикуляр на шкалу масс.

Ответ: 6,5 г.

Мы предлагаем при решении некоторых задач использовать метод ненормированных массовых, молярных и объемных долей. Этот метод может быть успешно использован в математических классах. Нормированные доли в сумме равны единице. Однако иногда удобно использовать и ненормированные доли, сумма которых единице не равна.

Пример 2.1.2. В смеси веществ А, В и С массой 50 г массовые доли равны: wА = 0,250, wВ = 0,450 и wС = 0,300. К смеси прибавили 15 г вещества D. Каковы массовые доли компонентов в образовавшейся смеси?

Решение:

В условии задачи указаны нормированные массовые доли:

,250 + 0,450 + 0,300 = 1.

Прибавление вещества D уменьшает wА, wВ и wС, поэтому доли теряют свойство нормированности, однако отношение между долями остается прежним.

Массовая доля вещества D равна wD = 15/65 = 0,231. Учитывая, что отношение чисел 0,250, 0,450 и 0,300 в новой смеси остается прежним, запишем условие нормировки старых долей:

wD + k(wА + wВ + wС) = 1,

Или

,231 + k(0,250 + 0,450 + 0,300) = 1.

Из уравнения находим нормировочный коэффициент: k = 0,769. Умножая его на wА, wВ и wС, получим нормированные искомые величины: wА = 0,192; wВ = 0,346; wС = 0,231; wD = 0,231. Легко проверить, что вычисленные wi являются нормированными долями.

Ответ: wА = 0,192; wВ = 0,346; wС = 0,231; wD = 0,231.

Школьная химия практически не использует квадратные уравнения. Однако химические задачи, решаемые с помощью квадратных уравнений, весьма необычны. Составление же квадратных уравнений требует от ученика определенной математической культуры.

На кафедре физической химии сделано несколько шагов в этом направлении [28].

Пример 2.1.3. При взаимодействии 25,7 г металла с кислотой выделился водород, объем которого при н.у., измеренный в литрах, оказался численно равным молярной массе этого металла, выраженной в г/моль. Определите этот металл.

Решение:

Запишем схему реакции:

Ме + НА → МеА + Н2.

По закону эквивалентов можно записать следующую пропорцию:

Молярная масса металла, из условия, и объёма выделившегося водорода в результате взаимодействия веществ численно равны. Обозначим эти величины за x и выразим неизвестное:

Находим значение x=23,99. Объем выделившегося водорода приблизительно равен 24 л. Металл имеющий молярную массу равной 24 г/моль - магний.

Ответ: металл Mg.

Возможно использование аппарата алгебраических неравенств. Задачи, решение которых требует обращения к аппарату неравенств, под силу ученикам с высоким уровнем математической культуры. Особенна и интерпретация решения этих задач, т. к. решение обычно заключено в определенных числовых пределах.

Пример 2.1.4. В оболочку воздушного шарика массой 1 г поместили 4 г гидрида лития и воду. Шарик немедленно герметизировали. Какова должна быть масса воды, чтобы шарик полетел? Опыт проводится при н. у. Считать, что давление внутри шарика равно атмосферному.

Решение:

Запишем реакцию взаимодействия воды и гидрида натрия:

+ H2O = LiOH + H2↑.

Пусть вода взята в недостаточном количестве, то есть полностью реагирует с гидридом лития. Поскольку n(LiH) = 0,5 моль, то и n(H2O) < 0,5 моль, или m(H2O) < 9 гр. При этом

где х - масса взятой воды (х<9 гр). Объем шарика при н. у.:

Масса воздуха вытолкнутого шариком:

Условие полета шарика (закон Архимеда):

Или

,

Откуда х > 8,26 гр. Поскольку х > 9 гр, первое условие выглядит корректным.

Пусть вода взята в избытке, тогда весь гидрид лития реагирует. При этом

(H2)= n(LiH) = 0,5 моль. объем шарика при н. у.:

Масса воздуха, вытолкнутого шариком:

Условие полета шарика:

,

Масса воды больше 9 гр, то есть и второе условие корректное.

Ответ: 8,26 гр < m(H2O) < 9,45 гр.

.2 Разработка задач нового поколения

Большие возможности для разработки задач нового поколения дает направление, связанное с расчетом масс и массовых долей электронов в веществе. Несколько шагов на этом пути уже сделано [29]. Построение такого класса задач основано на том, что массовая доля электронов наибольшая в водороде (главный изотопный нуклид 1Н не содержит нейтронов) и она постепенно уменьшается по мере увеличения порядкового номера химического элемента из-за прогрессирующего роста числа нейтронов в ядре. Например, в ядре атома фтора - 9 протонов и 10 нейтронов, поэтому массовая доля электронов здесь намного ниже, чем в атомах 1Н.

Рис. 2.2. Иллюстрация зависимости для смеси двух веществ заданного состава.

Те же возможности предоставляет набор изотопов водорода. Понятно, что переход от протия 1Н к дейтерию 2Н, а тем более к тритию 3Н снижает массовую долю электронов соответственно в 2 и в 3 раза.

Пример2.2.1. Массовая доля электронов в смеси газообразных протия  и дейтерия составляет 4,064.10-4. Какова молярная масса этой смеси? Каково содержание протия в смеси?

Решение:

Выберем массу смеси, равную, а г. Пусть массовая доля будет ω, тогда доля  будет (1-ω). Следовательно, масса  равна, аω г, а масса  - а(1-ω) г. Формула для расчета массовой доли электронов в молекуле протия имеет следующий вид: