КАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ ПО ХИМИИ КАК СРЕДСТВО РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ

Качественные задачи по химии имеют много функций в обучении. Среди них важной является формирование технического мышления школьников, которое проявляется в развитии творческих способностей, мотивов, знаний и умений, субъективной новизны, оригинальности, пространственного воображения.

Под техническим мышлением мы понимаем комплекс интеллектуальных процессов и их результатов, которые обеспечивают решение задач технической деятельности (проектирование, моделирование, конструирование, патентование изделия, др.). Как разновидность практического мышления техническое мышление включает три взаимосвязанных компонента (понятийный, образный и практический) и осуществляется при помощи известных мыслительных операций (анализа, синтеза, обобщения, сравнения, абстрагирования и др.). Поделимся своим опытом формирования технического мышления школьников на следующем примере.

Качественная задача. Сконструировать прибор для определения электрической проводимости веществ.

Для решения этой задачи необходимо организовать деятельность в три этапа: проектирование, моделирование, конструирование, которые способствуют формированию у учащихся трёх компонентов технического мышления.

На этапе проектированием прибора с целью стимулирования познавательных интересов учащихся необходимо показать им актуальность работы. Поэтому мы создаём проблемную ситуацию, мотивирующую учащихся на изготовление прибора для исследования электрической проводимости веществ, формулируем познавательную задачу.

Проблемная ситуация.

1. Для чего необходим данный прибор? 2. С какой целью возникает необходимость проектирования прибора? 3. Какие опыты можно проводить, используя предполагаемый прибор? 4. Что такое электрический ток? 5. Какие вещества проводят электрический ток? 6. Какие источники света вы знаете? Формулируем познавательную задачу: для определения веществ, обладающих электрической проводимостью, нужен прибор, удобный в эксплуатации на уроке и в домашних условиях.

Даётся техническое задание. Техническое задание – создать прибор, обеспечивающий выполнение химического эксперимента по определению электрической проводимости веществ; изучению зависимости степени электролитической диссоциации от разбавления раствора. Прибор может использоваться при проведении лабораторных работ и демонстрационных опытов на уроках, факультативных и кружковых занятиях по химии в 8-11 классах общеобразовательных учреждений.

Предлагаем учащимся определить технико-экономические и эргономические требования к прибору для исследования электрической проводимости веществ. Для этого обсуждаем следующие вопросы: 1. Какие габариты и вес должен иметь прибор? Почему? 2. Какие источники питания можно использовать для проектирования прибора? 3. Какие требования должны предъявляться к источнику света? 4. Как предусмотреть возможность комплексного использования проектируемого прибора? 5. Какие характеристики должны иметь материалы, из которых возможно изготовить прибор? 6. Какова должна быть себестоимость проектируемого прибора? 7. По каким критериям и показателям можно будет судить о качестве предполагаемого прибора?

Задание для учащихся мы конкретизируем, разделив задачу на несколько подзадач: 1. Определите максимальные размеры и вес прибора, который можно применять для демонстраций и лабораторных опытов на уроке, внеклассной работе, в домашних условиях при сохранении мобильности прибора. 2. Подберите источник света, на ваш взгляд, наиболее подходящий для мобильного прибора и работающий от источника питания с силой тока до 100 мА. Свой выбор обоснуйте. 3. Приведите схему электрической цепи, которую можно использовать при изготовлении прибора для определения электрической проводимости веществ и растворов. 4. Прибор для исследования веществ и растворов на электрическую проводимость должен быть безопасным и надёжным. Как обеспечить безопасность прибора, если он включает в себя работу с электрической цепью, источниками питания и корпусом, который может быть разрушен при его эксплуатации? Предложите способы повышения прочности и проверки прибора на надёжность. 5. Какой материал лучше всего использовать для изготовления корпуса прибора, не проводящего электрический ток, прочного, стойкого к ударам и действию растворов кислот и щелочей, недорогого? 6. Какие недорогие и доступные в продаже вещества и материалы можно использовать для изготовления деталей электропроводящей цепи прибора, которая состоит из источников света, питания, проводников и электродов? 7. Определите возможные недорогие источники питания для электрической цепи мобильного прибора небольшого размера, включающей источник света, который требует применения тока силой до 100 мА?

Учащиеся решают задачи, работая с различными источниками информации: интернет, справочная, научная, учебная, научно-популярная литература. Необходимо направлять деятельность учащихся, которые собирают материал и анализируют теоретические, практические и электронные источники.

Например, обсуждаем, что корпус прибора следует изготавливать из непрозрачных ударопрочных материалов – металлов или пластмасс. Электроды и проводники тока должны быть представлены электропроводящими материалами, устойчивыми к действию растворов кислот и щелочей. Источник питания должен быть зафиксирован при помощи резиновых пробок. Масса прибора в связи с его портативностью не должна превышать 100 г и размеров – не более 20 см в длину и не более 2 см в диаметре. Например, светодиоды различают по длине волны. После инфракрасного с наименьшей длиной волны, значит, и потребляемой мощности следует красный светодиод (610 – 760 нм, от 1,6 до 2,03 В). По выбранному светодиоду осуществляется расчёт необходимой мощности элементов питания. Приборы можно изготовить из следующих материалов: стекло, пластмасса, металл, сплав. Среди этих материалов необходимо выбрать наиболее подходящий.

Следующим этапом является моделирование нового прибора. Составляем план действий, прогнозируем результат и характеристики прибора. Строим модель прибора, анализируя различные варианты прибора с целью выделения существенных и несущественных его характеристик. Разработка прибора для исследования веществ на электрическую проводимость связана с развитием системы знаний не только химии и физики, но и гуманитарных наук. Совместно обсуждается и выбирается тот вариант, который наиболее эффективен и удобен в использовании, безопасен и эстетичен по дизайну. Приведём описание и эскизный проект одного из возможных вариантов. Признаки выбора варианта прибора: назначение прибора; опыты, для проведения которых применяется прибор; комплектация; габаритные размеры в упакованном и собранном виде; характеристики электрического тока; недостатки.

Модель прибора представляет собой разомкнутую электрическую цепь, состоящую из источника тока (2 батарейки), светодиода (применяется в качестве индикатора работы цепи) и электродов, соединённых при помощи провода согласно схеме (см. рис. 1), которые помещены в корпус. Светодиод защищён при помощи колпачка.

Рис. 1. Модель прибора: 1 – защитный колпачок; 2 – светодиод; 3 – корпус прибора; 4 – батарейки; 5 – электроды.

На основании модели, выбранной по названным критериям, необходимо произвести расчёты напряжения, необходимого для работы подходящего светодиода. Для решения задачи рассмотрим расчёты силы тока для питания светодиодов на примере. Светодиод с рабочим напряжением в 3 В и силой тока в 20 мА подключаем к источнику напряжения 5 В. Имеется напряжение 5 В, но светодиоду требуется только 3 В, значит от 2 В необходимо его уменьшить на 2 В (5 В – 3 В = 2 В). Необходимо подобрать резистор с правильным сопротивлением, которое рассчитывается следующим образом: воспользуемся формулой R = U/I. Соответственно, 2 В/0,02 А = 100 Ом. Значит, необходимо использовать резистор на 100 Ом.

На стадии конструирования необходимо изготовить прибора, внести в него необходимые дополнения и коррективы, оценить качество предполагаемого результата. Данный прибор мы предлагаем использовать для проведения следующих опытов:

- испытание различных веществ на электрическую проводимость (см. рис. 2);

- исследование электрической проводимости растворов;

- изучение степени электролитической диссоциации от разбавления раствора.

Рис. 2. Исследование вещества на электрическую проводимость

Приведём примеры качественных задач и экспериментальных заданий, способствующих формированию понятий и умений школьников по химии, в том числе на основе проблемного обучения.

1. Докажите, что медь и оксид меди (II) имеют разные кристаллические решётки.

2. В трёх пробирках находятся растворы следующих веществ: уксусная кислота, хлорид натрия, сахароза. Используя прибор для определения электрической проводимости, распознайте растворы веществ.

3. Используя прибор для исследования электрической проводимости, определите, являются ли соляная и серная кислоты электролитами.

Мы используем данный прибор на уроках химии для выполнения химического эксперимента, а также в системе дополнительного образования в рамках факультативных и кружковых занятий.

Приведём пример проблемной ситуации. При формировании умения исследовать состав и свойства веществ мы предлагаем учащимся качественную задачу: сравните физические свойства воды и алюминия. Решение приводит к созданию проблемной ситуации: по каким критериям сравнивать вещества?

Вопросы для обсуждения.

1. Какие свойства веществ мы будем сравнивать?

2. Перечислите физические свойства веществ.

3. По каким критериям можно сравнить вещества?

4. С помощью прибора исследуйте электрическую проводимость воды и алюминия.

Мы применяем прибор для исследования и доказательства свойств металлов, пластмасс, природных растворов, например, водопроводной воды, почвенного раствора, распознавания растворов веществ, осуществления домашнего эксперимента, индивидуальных домашних работ и исследований, творческих работ по изучению веществ.

Таким образом, в процессе конструирования прибора учащиеся приобретают универсальные, научно-исследовательские, конструкторские умения, применяют теоретические знания на практике, формируется техническое мышление. Качественные задачи на конструирование приборов способствуют интеграции теоретические знания о свойствах различных материалов, физических и химических параметрах электрохимических процессов с практическим опытом. Интегрируются представления учащихся о путях и средствах познания и мышления с опытом творческой деятельности.