Актуальные проблемы химического и биологического образования

Проблема формирования образа вещества и реакции при обучении школьников химии

Н.И. Морозова

Специализированный учебно-научный центр (факультет) – школа-интернат им. А.Н. Колмогорова Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

При обучении химии много внимания уделяется составлению формул веществ, записи схем и уравнений химических реакций. Не отрицая необходимость этого, стоит заметить, что следствием является смещение акцента с реальных свойств веществ к их формальному описанию. Так, в понятии школьника серная кислота – это часто H2SO4, а не тяжелая бесцветная жидкость, окисляющая металлы и неметаллы и отнимающая воду у органических веществ. Подобное понимание химии как формул и манипуляций с ними усугубляется малым количеством непосредственной работы с веществом. Даже демонстрационным экспериментом при обучении химии порой пренебрегают из-за недостатка реактивов, оборудования, времени и т.п., а полноценные лабораторные работы проводятся весьма редко.

Как создать в восприятии школьника правильный образ вещества и реакции? Развитие техники и всеобщая доступность интернета позволяют широко использовать огромный наработанный контент – фотографии веществ, видеоролики экспериментов, их готовые сборки в презентации [1]. При отсутствии технической возможности проводить эксперимент самостоятельно или при его опасности это прекрасная возможность увидеть вещества и их взаимодействия и составить о них представление. Кроме того, очень полезно дополнять проводимые демонстрационные эксперименты их видеозаписями, где детали эксперимента сняты крупным планом (или дублированием проводимого эксперимента на экране с помощью веб-камеры) [2].

Следует, однако, заметить, что с безопасными и доступными веществами школьникам все же необходимо работать непосредственно. Позиция наблюдателя отличается некоторой отстраненностью, ощущением себя «зрителем в кинотеатре» и соответственным восприятием контента как «кино» с точки зрения внешних эффектов и эмоциональной составляющей (особенности восприятия мультимедиа анализируются, например, в [3]).

Тем не менее даже при «живом» выполнении эксперимента попытки школьников описать свои действия и наблюдения зачастую показывают инерцию мышления, находящегося «в плену» формул и уравнений. В СУНЦ МГУ учащиеся 10 и 11 химических классов выполняют практикум (например, [4]), задания которого оформляются в лабораторном журнале. И регулярно приходится читать в графе «Наблюдения» фразы типа: «H2SO4 реагирует с Cu». Но эта фраза не содержит ни одного наблюдения! Она является просто описанием левой половины схемы химической реакции. Что мы наблюдаем в действительности? Красная полоска металла (меди) погружается в пробирку с тяжелой неокрашенной жидкостью (концентрированной серной кислотой), и… ничего не происходит. Заметим, что уравнение реакции в принципе не может этого отразить. Только после длительного нагревания полоска металла чернеет, затем образуется взвесь мелкого черного порошка. Классическое уравнение реакции Cu + 2H2SO4 конц = CuSO4 + SO2 + 2H2O не отражает и этого, однако образование черного Cu2S – необходимая промежуточная стадия процесса, свидетельство сложного механизма реакции. Параллельно становятся видны пузырьки газа, издающего резкий запах (это сернистый газ). А где же сульфат меди? Школьники привыкли к тому, что раствор сульфата меди голубого цвета, но образующийся раствор не имеет цвета. Надо вспомнить, что голубую окраску имеет аквакомплекс меди (II), т.е. Cu2+ в водном растворе, в концентрированной же серной кислоте практически нет молекул воды и ион меди не гидратирован. Если аккуратно вылить содержимое пробирки в стаканчик с водой, то раствор в стаканчике становится голубым. Вроде простая реакция, а так много нюансов! Одна из задач преподавателя, принимающего задания практикума, – объяснить учащемуся разницу между формулой и веществом, схемой реакции и наблюдением взаимодействия веществ; добиться того, чтобы в следующий раз учащийся адекватно описывал и интерпретировал наблюдения, не подменяя одно другим, подмечал особенности взаимодействия, не всегда укладывающиеся в уравнения, записанные на бумаге.

Элементы медиа помогают закрепить образ химии, формируемый на лабораторных занятиях. С 2013 г. мы ввели новую форму контроля в практикуме по неорганической химии с условным названием «Опознание». Классу предъявляется презентация, где на каждом слайде изображены фотографии веществ и процессов, с которыми учащиеся знакомились на предыдущем занятии практикума, либо видеоролики. Фотография показывается 1 минуту (если на слайде несколько фотографий, время может быть увеличено), видеоролик – соответственно его длительности. Учащиеся должны написать в ответе названия и формулы веществ либо уравнение реакции / название процесса. Например, на рис. 1 показан слайд, изображающий несколько последовательных фотографий взаимодействия меди с концентрированной серной кислотой. За правильное узнавание учащиеся получают баллы.

Рис. 1. Пример слайда презентации

Как показали исследования в течение нескольких лет, такая методика стимулирует учащихся быть более наблюдательными и обращать внимание на детали эксперимента, воспринимать вещества и реакции как они есть, а не как записываются формулами. Кроме того, многие ребята, увлекшись, начинают сами фотографировать разные стадии своих экспериментов, сравнивать их между собой и обсуждать, что, помимо эстетического удовольствия и соревновательного элемента, положительно сказывается на широте и глубине их знакомства с химией. В результате учащиеся лучше ориентируются в проведенной работе и получают более прочные знания.

Помимо этого, результаты ответов учащихся ежегодно анализируются. На опыты с веществами и реакциями, которые плохо воспринимаются школьниками, на практикумах в последующие годы обращается особое внимание, происходит их предварительное обсуждение прямо во время проведения эксперимента. Таким образом практикум модифицируется и совершенствуется.

1. Давыдова Н.А., Маряхина Н.Н., Миняйлов В.В., Загорский В.В. Информационно-коммуникационные технологии в преподавании общей и неорганической химии // Актуальные проблемы химического и естественнонаучного образования: Материалы 56-й Всерос. науч.-практ. конф. химиков с междунар. участием. Санкт-Петербург, 8–11 апреля 2009 г. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. С. 300–302.

2. Загорский В.В., Миняйлов В.В., Морозова Н.И. Образ химии в мультимедийных заданиях для самостоятельных и контрольных работ // III Всерос. конф. учителей химии «Кадровый резерв российской химии. Школьный этап». Ханты-Мансийск, 2014. С. 25.

3. Загорский В.В., Петрова Е.П., Сердечная А.И. Оценка эффективности элементов мультимедиа на лекциях по химии для студентов нехимических специальностей и школьников классов физико-математического профиля // Труды XV Всерос. науч.-методич. конф. «Телематика’2008», 23–26 июня 2008 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008.

4. Коренев Ю.М., Морозова Н.И., Жиров А.И. Практикум по неорганической химии. М.: МАКС Пресс, 2013.

Количественная оценка развития репродуктивных и креативных действий школьников при обучении химии

П.А. Оржековский, С.Ю. Степанов

Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия

Перед педагогами часто стоят, казалось бы, простые вопросы: как определить способности каждого ученика к обучению химии? Как определить, происходит развитие каждого ученика в обучении или нет? Как определить «зону ближайшего развития» ученика, чтобы предложить ему наиболее целесообразное задание? Как определить оптимальное соотношение заданий репродуктивного и творческого характера? Без количественной оценки креативных и репродуктивных действий ученика ответить не эти вопросы практически невозможно, хотя рассуждать и теоретизировать об этом можно сколько угодно.

Для оценки выполнения задания репродуктивного характера рассмотрим формулу:

где Nr – число логических действий репродуктивного характера;

t – время, за которое эти действия совершены; Vr – скорость логических действий в логочасах (лг/ч).

Способность ученика выполнять задания репродуктивного характера можно рассматривать как среднюю скорость, которую он показал на ряде занятий (n).

Приращение способности ученика к выполнению заданий репродуктивного характера, проявившееся на данном занятии (n), можно рассматривать как разницу между средней скоростью и скоростью логических действий, которую ученик показал на данном занятии.

Из рис. 1 можно сделать вывод, что при изучении темы происходит развитие способностей ученика совершать логические действия. Линия приращения развития ученика к репродуктивным действиям имеет устойчивую тенденцию к росту. Это говорит о том, что ученику были подобраны целесообразные задания, попадающие в зону его ближайшего развития. В начале изучения следующей темы можно ожидать от ученика скорости репродуктивных логических действия в пределах 60–120 лг/ч. Соответственно, это и будет зоной его ближайшего развития. Так, если ученик в течение 20 минут будет выполнять репродуктивные задания, то он в состоянии совершить за это время 18–36 логических действий репродуктивного характера.

Рис. 1. Поурочная динамика развития способности ученика совершать репродуктивные логические действия

Аналогичный подход можно использовать для количественной оценки креативных действий при самостоятельном выполнении ученикам творческих заданий. Скорость креативных действий (в креочасах, кр/ч):

Творческость задачи определяется ее особыми, в сравнении с типовыми задачами, психодидактическими параметрами. Первый параметр творческой задачи связан с особенностью формулировки ее условий, которая позволяет в процессе решения по-разному их интерпретировать. Это задачи с открытым характером условий, имеющих повышенную степень неопределенности, что, собственно, и вызывает необходимость самостоятельно ученику выдвигать гипотезы и предположения по уточнению и домысливанию исходных условий, а значит, позволяет в ходе их проработки и реализации получать несколько разных вариантов решений, одно из которых оказывается наилучшим. Таким образом, при их решении ученик вынужден действовать в условиях неопределенности, мыслить дивергентно, что, в отличие от обычных школьных репродуктивных заданий, свойственно реальным жизненным ситуациям принятия решения и творческого поиска. Второй параметр творческих задач связан с необходимостью в процессе решения выявить и переосмыслить интеллектуальные стереотипы, формируемые у ученика при решении типовых задач. Такие задачи называются проблемно-конфликтными. Они содержат скрытые противоречия, в столкновении с которыми, собственно, и должны разрушиться сформировавшиеся ранее стереотипы и предлагаться новые для ученика идеи решения. Третий параметр связан с латентностью и эвентуальностью (скрытостью и неочевидностью) некоторых свойств предметного содержания задачи (а иногда даже самой ее проблемы), которые начинают обнаруживаться только в процессе работы и экспериментирования с этими свойствами в ходе ее решения. Необходимость проявить последовательность, упорство и волю в решении задач, обладающих латентными и эвентуальными свойствами, характеризует такую особенность мыслительной деятельности ученика, как конвергентность. Таким образом, основываясь на триедином комплексе параметров творческих задач, можно сказать, что для их решения нужны не только способности, связанные с дивергентным (по Гилфорду) или латеральным (по Де Боно) мышлением, но также с конвергентным и рефлексивным мышлением. Дивергентность мыслительных действий определяется числом рассматриваемых учеником вариантов поиска решения, конвергентность оценивается по глубине проработки варианта решения, оригинальность – по степени новизны предложенных решений.

В табл. 1 приведен пример количественной оценки креативных действий.

Из табл. 1 следует, что в процессе решения творческой задачи ученик рассматривал четыре идеи решения. Работа над первыми тремя вариантами не привела ученика дальше тривиального и выгодного решений. Четвертый вариант оказался более перспективным. В итоге весь объем совершенных в креативном процессе действий можно оценить 31 баллом.

Таблица 1

Пример количественной оценки креативных действий

Предположим, что творческую задачу ученик решал 40 минут. Тогда скорость креативных действий равна Vk = 31 : 0,6 = 51,7 кр/ч.

По аналогии с рассмотренным подходом:

• средняя творческая продуктивность ученика (кр/ч), которую он проявил на ряде занятий (n):

• приращение творческой продуктивности, проявившееся на данном занятии (кр/ч):

На рис. 2 приведен пример развития креативного мышления при изучении темы курса химии.

Рис. 2. Динамика развития креативного мышления при изучении темы

Рис. 3. Динамика приращения креативного развития ученика

Из графиков можно определить зону ближайшего развития этого ученика – 20–25 кр/ч.

Анализ графика приращения креативного развития (рис. 3) позволяет сделать вывод о том, что ученику предоставлялись для решения не совсем целесообразные задачи.

Вычисление коэффициента креативности Kk (частного от деления уровней креативных и репродуктивных мыслительных действий, соответствующих каждому занятию), позволит проследить тенденцию соотношения развития креативных и репродуктивных действий. Из рис. 4 следует, что от занятия к занятию имеется тенденция снижения доли креативного развития. В связи с этим возникает вопрос: эта тенденция закономерна или можно найти оптимальное соотношение?

Рис. 4. Динамика изменения коэффициента креативности (Kk)

Таким образом, на основании анализа тенденций развития способностей ученика к репродуктивным и креативным действиям можно подбирать наиболее целесообразные задания, соответствующие его зоне ближайшего развития.

Методика работы с текстом при освоении новых знаний в профильных биологических классах

Л.Н. Орлова

Омский государственный педагогический университет, Омск, Россия

А.Н. Петкевич

Средняя общеобразовательная школа № 135 им. А.П. Дмитриева, Омск, Россия

Одним из важных умений при изучении биологии является работа с текстом. В качестве примера рассмотрим необходимость обучения выделению главного в тексте, конспектированию, реферированию и составлению плана. Эта работа будет являться одним из основных средств многоуровневой системы средств обучения при освоении новых биологических знаний в профильных биологических классах.

В качестве примера представим некоторые элементы работы по формированию биологических знаний на начальном этапе изучения темы. Организация обучения начинается с формирования умения осмысленно читать учебный текст, следовательно, средством обучения на данном этапе (первый уровень многоуровневой системы средств обучения) будет текст, где изложена основная информация, включающая понятийный аппарат, необходимый для дальнейшего расширения и углубления знаний по данной теме. В процессе обучения на данном этапе формируются умения:

• читать быстро и с необходимыми смысловыми акцентами;

• понимать текст;

• структурировать текст (наиболее трудное для формирования умение, которое выражается в умениях выделять основные понятия темы, выделять главные идеи текста, т.е. те, которые подлежат запоминанию и пониманию в соответствии с учебной задачей);

• определять предмет изучения;

• определять понятия;

• устанавливать связи данных понятий с ранее изученными;

• привлекать ранее усвоенные знания для понимания текста;

• применять справочную литературу;

• устанавливать внутренние связи между понятиями и идеями параграфа.

В фундаментальном исследовании «Смысловая структура учебного текста» Л.П. Доблаева представлена развивающая функция самопостановки учащимися вопросов к учебному тексту. Этот прием не только обеспечивает эффективное восприятие и понимание учебного материала, но и позволяет снабдить учащихся универсальным учебным инструментом, облегчающим учение [2].

Приведем пример работы с текстом из учебника по общей биологии.

«Морфологический критерий вида – один из важнейших. Под морфологическим критерием вида понимают совокупность внешних признаков организма. С его помощью легко различать виды, не являющиеся близкими родственниками. Однако иногда виды внешне почти неразличимы, хотя в природе изолированы и не скрещиваются между собой. Это виды-двойники. Следовательно, морфологический критерий не является достаточным» [4].

При работе с биологическим текстом необходимо организовать беседу по следующим вопросам.

1. О чем говорится в приведенном тексте? – О морфологическом критерии вида.

2. Что говорится в тексте об этом критерии? – Говорится, что этот критерий определяется совокупностью внешних признаков организма, но не является достаточным для различения близкородственных видов.

3. Что означает слово «морфологический»? Найдите в словаре слово «морфология» и соотнесите словарное значение со значением этого слова в учебнике. (Ответом является слово «строение».)

4. Каким бывает строение? – Внешним и внутренним.

5. Только ли внешнее строение организма может служить критерием вида? – Нет, надо помнить и о внутреннем строении и особенностях организмов.

6. Что означает слово «критерий»? Найдите синонимы этого слова. (Ответом являются слова «мера», «мерило», «мерка».)

7. Что говорится в тексте о связи видов друг с другом? – Они могут быть изолированы друг от друга, но могут и не быть изолированы.

Из приведенного примера видно, как можно работать с текстом на начальном этапе обучения. Первые два вопроса ставятся учениками при чтении любого биологического текста. Это умение доводится до уровня навыка.

Одной из форм работы с текстом является обучение учащихся анализу содержания учебного материала с помощью вопросов и заданий дополнительных учебных пособий (средство второго уровня многоуровневой системы). В этом случае именно пособия становятся стимулирующим источником вопросов, помогающих запоминанию, пониманию и окончательному осмыслению текста. К одному и тому же понятию можно поставить ряд вопросов, позволяющих оттенить различные контексты содержания этого понятия, а попытка ответить на вопросы, обсуждение возможных вариантов ответов, в свою очередь, активизирует мыслительную деятельность учащихся и повышает уровень их самостоятельности в работе [1].

На третьем уровне к данному тексту предлагаются тестовые задания. К приведенному выше отрывку из пособия может быть дано, например, следующее тестовое задание.

Морфологический критерий вида не является абсолютным потому, что:

а) между особями одного вида существуют индивидуальные различия;

б) особи одного вида географически изолированы;

в) существуют близкородственные виды, не скрещивающиеся между собой;

г) виды-двойники всегда занимают разные территории.

Данное задание побуждает ученика обратить внимание при чтении текста на суть понятия «морфологический критерий», уточнить понятие «вид» или просто применить знания о виде к ответу на вопрос. А также выяснить, действительно ли виды-двойники всегда занимают разные территории и о какой изоляции в природе идет речь – географической или репродуктивной.

В результате прочтения текста учебника и соотнесения с ним вопроса должен быть получен правильный ответ. Дискуссия, проведенная с учащимися, предоставляет возможность для понимания и анализа текста. Проведенный анализ биологического текста требует от ученика применения творческих умений, ведущих к новым для него знаниям [3].

Приведенный пример задания работы с биологическим текстом и дополнительными пособиями является основным средством формирования учебных умений. Все зависит от того, в какой мере система вопросов и заданий предусматривает включенность всех компонентов содержания образования и способов деятельности по его усвоению и как учитель организует работу с книгой [5].

Приемы обучения ответам на сложные вопросы содержатся в формулировке самих вопросов и предполагают:

• установку на выделение существенных фактов, признаков либо с помощью учителя, либо самой учебной книгой (учебником, пособием), поскольку, раз об этом спрашивается, значит, это следует знать (надо знать критерии вида);

• организацию коллективного обсуждения, приводящего к правильному ответу (можно организовать аргументированную дискуссию);

• установку на видение проблем в привычной ситуации (проблема заключается в соотнесении имеющихся знаний и неизвестного в условии вопроса);

• установку на доказательство своих мыслей (ученик стимулируется к внутреннему монологу);

• установку на выявление связей, не обозначенных явно (необходимо установить связи между определением критерия вида и его допустимыми ограничениями);

• установку на выявление и включение неизвестных фактов в систему знаний (получив правильный аргументированный ответ, ученик включает новую информацию в свою систему знаний).

В процессе правильно построенного обучения обеспечивается усвоение надпредметного содержания, а также способов деятельности по извлечению информации и аргументированному применению имеющихся знаний и умений.

Следовательно, работа с текстом и заданиями является одним из основных средств при реализации многоуровневой системы в организации ситуации для стимулирования познавательной деятельности учащихся и формирования необходимых умений при изучении биологии на углубленном уровне.

1. Брунер Дж. Психология познания. М.: Прогресс, 1977.