Решение расчетных задач по химии, как способ совершенствования химической компетентности

Решение расчетных задач по химии, как способ совершенствования химической компетентности

Пфафенрод М.А.

Введение.

Решение задач — практическое искусство, подобное плаванию, катанию на лыжах или игре на фортепиано; научиться ему можно только подражая образцам и постоянно практикуясь.

Д. Пойа

По современным психолого-педагогическим требованиям важная роль в процессе усвоения химических знаний отводится использованию получаемых знаний при решении задач различных типов. Решение расчетных и качественных задач развивает творческую самостоятельность учащихся, способствует более глубокому освоению учебного предмета. Именно через решение задач различных типов и уровней сложности может быть эффективно освоен курс химии.

В научной и методической литературе в последнее время обсуждается необходимость поиска наиболее современных методик обучения решению задач на основе синтеза достижений ряда наук: логики, психологии, дидактики и методики обучения химии. Однако недостаток специальных руководств не позволяет применить задачи как один из способов совершенствования обучения, учитывать методические и психологические требования к ним.

Исследования проблемы обучения учащихся решению задач показывают, что несформированность умений является следствием следующих причин:

• решая задачу, не осознают должным образом свою собственную деятельность, т.е. не понимают сущности задач и хода их решения;

• не всегда анализируют содержание задачи, проводят ее осмысление и обоснование;

• не вырабатывают общие подходы к решению и не определяют последовательность действий;

• часто неправильно используют химический язык, математические действия и обозначение физических величин и др.;

Преодоление этих недостатков является одной из главных целей, который ставит перед собой учитель, приступая к обучению решению расчетных задач.

Умение решать задачи по химии является основным критерием творческого усвоения предмета. Анализ школьных учебных программ по химии показывает, что необходимый уровень сложности расчетных задач, которым необходимо овладеть школьникам, очень низкий. Типология задач также весьма узкая. Наблюдается формальный подход к решению задач и эпизодическое включение их в учебный процесс. Ни в одной программе на обучение решению задач не выделено хоть какое-нибудь время. В имеющихся учебниках по химии практически отсутствуют примеры решения задач или эти примеры даны в слишком малом количестве и потому не очень доступны для понимания.

Химическая задача как элемент проблемного обучения

Химическая учебная задача – это модель проблемной ситуации, решение которой требует от учащихся мыслительных и практических действий на основе знания законов, теорий и методов химии, направленная на закрепление, расширение знаний и развитие химического мышления.

Структура учебной деятельности с точки зрения ее состава должна включать в себя содержательный, операционный и мотивационный компоненты. В процессуальной структуре учебной деятельности, как деятельности по решению учебных задач, могут быть выделены следующие взаимосвязанные компоненты, определяющие последовательность осуществления деятельности: анализ задачи; принятие учебной задачи; актуализация имеющихся знаний, необходимых для ее решения; составление плана решения задачи; практическое ее осуществление; контроль и оценка решения задачи, осознание способов деятельности, имеющих место в процессе решения учебной задачи.

Решение задач требует умения логически рассуждать, планировать, делать краткие записи, производить расчеты и обосновать их теоретическими предпосылками, дифференцировать определенные проблемы в целом. При этом не только закрепляются и развиваются знания и навыки учащихся, полученные ранее, но и формируются новые. Задачи, включающие определенные химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы учащихся над учебным материалом, являются средством контроля и самоконтроля, помогает определить степень усвоения знаний и умений и их использования на практике; позволяет выявлять пробелы в знаниях и умениях учащихся и разработать тактику их устранения. При решении задач развивается кругозор, память, речь, мышление учащихся, а также формируется мировоззрение в целом; происходит сознательное усвоение и лучшее понимание химических теорий, законов и явлений. Решение задач развивает интерес учащихся к химии, активизирует их деятельность, способствует трудовому воспитанию школьников и их политехнической подготовке.

Отсюда понятно общепринятое в методике мнение, что мерой усвоения материала следует считать не только и даже не, сколько пересказ учебника, сколько умение использовать полученные знания при решении различных задач.

Значение решения задач:

Во-первых, это практическое применение теоретического материала, приложение научных знаний на практике.
Решение задач как средство контроля и самоконтроля развивает навыки самостоятельной работы; помогает определить степень усвоения знаний и умений и их использования на практике; позволяет выявлять пробелы в знаниях и умениях учащихся и разрабатывать тактику их устранения.
Во-вторых, прекрасный способ осуществления межпредметных и курсовых связей, а также связи химической науки с жизнью.

Место задач в курсе химии:

• При объяснении нового материала задачи помогают иллюстрировать изучаемую тему конкретным практическим применением, в результате учащиеся более осознанно воспринимают теоретические основы химии.

• Решение задач дома способствует привлечению учащихся к самостоятельной работе с использованием не только учебников, но и дополнительной литературы.

• С целью контроля и учета знаний лучшим методом также является расчетная задача, т.к. при ее решении можно оценить все качества ученика, начиная от уровня знания теории до умения оформлять решение в тетради.

Использование задач в школе позволяет решать основные функции обучения и воспитания.

• Обучающие функции обеспечиваются формированием важных структурных элементов знаний, осмыслением химической сущности явлению, умением применять усвоенные знания в конкретно заданной ситуации. Решение задач – это активный познавательный процесс.

• Воспитывающие функции реализуются формированием мировоззрения, расширением кругозора. Учебные задачи являются действенным средством воспитания трудолюбия, настойчивости, воли, характера.

• Развивающиеся функции проявляются в результате формирования логического, творческого мышления, развитие смекалки учащихся. Решение задач – это мыслительный процесс.

Итак, решение задач:

• учит мыслить, ориентироваться в проблемной ситуации;

• проявляет взаимосвязь представлений и понятий;

• ведет к лучшему пониманию учащимися химических явлений в свете важнейших теорий;

• позволяет установить связь химии с другими предметами, особенно с физикой и математикой;

• является средством закрепления в памяти учащихся химических законов и важнейших понятий;

• служит одним из способов учета знаний и проверки навыков, полученных в процессе учения предмета;

• воспитывает в процессе изучения у учащихся умение использовать полученные знания для решения практических проблем, тем самым связывая обучение с жизнью и деятельностью человека.

Классификация задач

На сегодняшний день не существует единого подхода к классификации химических задач. Окончательно разработанной классификации школьных химических задач нет. В учебных пособиях по методике химии, специальных методических пособиях по решению задач и в статьях приводятся различные варианты классификации задач. Общепризнанной является классификация химических задач на качественные и количественные, которые решаются устным, письменным и экспериментальным способом:

Химические расчетные задачи можно условно разделить на три группы:

1. Задачи, решаемые с использованием химической формулы вещества или на вывод формулы.

2. Задачи, для решения которых используют уравнение химической реакции.

3. Задачи, связанные с растворами веществ.

Простейшие расчетные задачи

I. Задачи, которые решаются без использования уравнений реакций:

1. Расчеты соотношений масс элементов в веществах.

2. Расчеты массовой доли элемента в соединении по его формуле.

3. Расчеты по соотношениям “масса – моль”.

4. Расчеты по соотношениям “объем – моль”.

5. Расчеты с использованием относительной плотности газов.

6. Выведение простейшей формулы вещества.

7. Выведение истинной формулы вещества.

8. Расчеты с использованием числа Авогадро.

9. Задачи, связанные с растворами веществ.

10. Задачи на смеси.

II. Задачи, решаемые с использованием уравнений химических реакций.

1. Расчет массы веществ по известной массе другого вещества.

2. Расчеты по соотношению “масса – моль”.

3. Расчеты по соотношению “объем – моль”.

4. Задачи с использованием понятия “избыток”.

5. Задачи с использованием веществ, одно из которых содержит примеси.

6. Задачи на выход продукта реакции и на производственные потери.

7. Задачи на нахождение химической формулы.

8. Задачи, в которых вещества даны в виде растворов.

9. Задачи на смеси.

Каждый их этих видов задач включает еще несколько типов задач.

Дидактическая классификация расчетных задач

1. Для усвоения соотношений физических величин:

а) для демонстрации учителем;
б) для самостоятельной работы учащихся.

2. Для усвоения количественных характеристик объектов изучения:

а) по отдельным вопросам темы;
б) по теме в целом;
в) по разделу в целом;
г) по курсу в целом.

3. Для контроля:

а) текущего (опрос);
б) тематического;
в) по разделу;
г) по курсу.

Методика решения химических задач

Проблема методики решения задач в любой науке стоит достаточно остро, т.к. тщательная ее разработанность предполагает лучшую усвояемость научных знаний, их систематизированность и способность к применению в новых нестандартных ситуациях.

Психологи и дидакты рассматривают решение задач как модель комплекса умственных действий. Мышление при этом выступает как проблема «складывания» операций и определенную систему знаний с ее последующим обобщением. Значительна роль задач в организации поисковых ситуаций необходимых при проблемном обучении, а также в осуществлении процесса проверки знаний учащихся и при закреплении полученного материла

В общем виде способ решения химических задач можно представить следующим порядком действий:

1) краткая запись условия задачи (вначале указывают буквенные обозначения заданных величин и их значения, а затем — искомые величины), которые при необходимости приводятся в единую систему единиц (количественны сторона);

2) выявление химической сущности задачи, составление уравнений всех химических процессов и явлений, о которых идет речь в условии задачи (качественная сторона);

3) соотношения между качественными и количественными данными задачи, т.е. установление связей между приводимыми в задаче величинами с помощью алгебраических уравнений (формул) – законов химии и физики;

4) математические расчеты

Наибольшие трудности у учащихся возникают на 2 этапе решения задач, где требуется понимание логики задачи, интерпретация ее условий в виде химико-математических уравнений и формул. Интересно, что подобные затруднения возникают не только у учащихся. Опыт проведения совместных занятий с учителями математики показывает, что у них также могут возникать затруднения по поводу логики химической задачи, понимания ее условий и это, учитывая то, что задачи на смеси – неизменный компонент КИМов ЕГЭ.

Возможными вариантами разрешения данных затруднений являются следующие:

1. Овладение алгоритмами решения химических задач, которые требуют только знание основных расчетных формул и жесткое следование этапам решения для каждого типа задач.

2. Развитие логических приемов решения задач, одним из элементов которых может быть наглядно-графическое представление ее условий.

Существует множество алгоритмов решения химических задач различных типов (пример – Приложение 1), их изучение и освоение не составляет для учащихся особого труда и требует в основном развития репродуктивных умений. Однако посредством алгоритмов можно решить только задачи (или их элементы) однозначно идентифицированные по типу и необходимым наборам условий. Комбинированные и усложненные задачи (например олимпиадные) требуют предварительного разбора условий, что являет наиболее существенным отличием первого способа решения задач от второго.

Алгоритм решения задачи наглядно логическим способом прстъавляет собой следующую последовательность действий: Нарисовать задачу ⇒ увидеть ее ⇒ понять условие ⇒ решить задачу. (Пример решения задач наглядно-логическим способом представлен в Приложении 2). В данном алгоритме упор делается на понимание условий задачи, их интерпретация в понятные учащемуся структурные единицы решения.

Недостатки и достоинства обоих способов заключаются в следующем: в первом способе возможно дойти до решения автоматически, не задумываясь о сути происходящих явлений, что как раз и может спровоцировать ошибку. Во втором способе неумение логически правильно составить пропорциональные отношения приводит к совершенно невероятным ответам.

Фактически совершенно отделить один способ решения от другого невозможно, в химических задачах обычно комбинируются оба с целью рационализации решения, поэтому освоение как алгоритмического, так и наглядно логического способа решения задач позволяет комплексно добиваться целей обучения, связанных с развитием «задачного» мышления.

Решение расчетных задач на уроке химии

Большинством учителей при обучении решению расчетных задач по химии используется алгоритмическо-алгебраический подход, требующий знаний основных расчетных формул и алгоритмов решения задач различных типов.

Систематическое использование наглядно-логического способа решения расчетных задач представлено в довольно ограниченном наборе УМК [1, 2] и используется эпизодически, либо совсем не используется.

Данное предпочтение обусловлено сравнительно низкими трудозатратами со стороны учителя, минимумом затрат учебного времени на разъяснение способов действий и специфических химических знаний. Однако такое одностороннее толкование значимости расчетных задач в процессе формирования общей и предметной компетентностей учащихся приводит к непониманию логики химической задачи и развитию в основном только репродуктивных умений в ущерб развитию основных мыслительных операций и творческого мышления.

Фактически введение в расчетные химические задачи начинается в 8 классе с темы «Простые вещества» на уроках формирующих понятие «количество вещества» и связанных с ним. (здесь и далее рассматривается программа Габриелян О.С. Программа курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2010). На данном этапе учащимися усваиваются основные расчетные формулы химии и их логическое обоснование, но зачастую весь процесс освоение способов действий в этой теме заключается в усвоении формул расчета количества вещества.

В то же время логический разбор понятия «молярный» (относительно моля вещества), позволяет учащимся органично усвоить и применять данные формулы не только в решении стандартных задач на нахождение объема и массы вещества, но и использовать их в более сложных задачах, например при установлении состава вещества, что при использовании только первого способа решения задач нередко создает затруднения в понимании условий задачи учащимися.

Следующий вход в дидактический раздел «Решение задач» осуществляется в теме «Соединения химических элементов» — «Массовая и объемная доля компонентов в смеси». И опять, пренебрежение разбором понятия «доля» и ее количественного выражения, приводит к затруднениям при формировании умения решать задачи на расчет доли элемента в веществе, и вывода молекулярных формул.

Подобные примеры можно в дальнейшем наблюдать практически в каждом программном разделе курса химии, когда предпочтение, отданное одну из способов действий при решении задачи, ограничивает возможность более полного формирования химической компетентности.

Таким образом, более целесообразно представлять учащимся как можно более широкий спектр способов действий и создавать условия формирования умений выбирать тот или иной способ решения задачи в зависимости от ее особенностей, что по сути и является процессом формирования ключевых компетентностей.

Результативность

Комбинирование наглядно-логических и алгоритмических способов действий с содержанием курса химии позволяет развивать химическую компетентность учащихся, что впоследствии выражается в повышении результативности обучения химии, в том числе и повышении качества участия в ЕГЭ и предметных конкурсах.

Так за 2 года использования данного подхода при решении химических задач отмечено повышение степени усвоения химического содержания образования и основных способов действий с ним:

— повысился средний бал сдачи ЕГЭ,

— увеличилась эффективность участия в предметных конкурсах (появились призеры межрегионального и всероссийского уровней),

— возросла самостоятельность учащихся в освоении содержания как школьного курса химии, так и материалов повышенного уровня,

— увеличилось качество мотивационной составляющей изучения химии..

Литература

1. Белан Н.А. Подготовка учащихся к олимпиаде по химии: методические рекомендации, справочные и дидактические материалы: учебно-методическое пособие/Н.А. Белан.-Омск:БОУДПО «ИРООО»,2009

2. Габриелян О. С., Яшукова А. В. Химия. Рабочая тетрадь к учебнику О. С. Габриеляна «Химия. 9″. –М.: Дрофа, 2004.

3. Габриелян О.С. Программа курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2010.

4. Ерыгин Д.П., Шишкин Е.А. Методика решения задач по химии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по биол. и хим. спец. – М.: Просвещение, 1989.

5. Методика преподавания химии (теоретические основы). Н.Н.Буринская. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987.

6. Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы. М.: Новая волна, 1997.

7. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в ВУЗы. М.: Новая волна, 2001.

8. Цитович И.К., Протасов П.Н. Методика решения расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1983.

9. Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. М.: ВЛАДОС, 2000.

10. Штремплер Г.И. Методика решения расчетных задач по химии: 8-11 кл.: Пособие для учителя / Г.И.Штремплер, А.И.Хохлова. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2001.

Приложение 1

Пример алгоритма решения задачи по уравнению реакции

1. Составим уравнение реакции

Mg + H₂SO₄ ⇒ MgSO₄ + H₂

2. Запишем над формулами веществ в уравнении реакции известные величины с единицами измерения(под известными величинами понимаются данные из условия задачи, в том числе и то, что надо найти. При этом не стоит забывать, что объём может указываться только для газообразных веществ).