Методика формування і розвитку системи понять про речовини в курсі хімії середньої школи

Структура системи понять про речовину та її компоненти

9 Чернобельская Г. М.

Вивчення речовини є найважливішим завданням хімічної науки і предмета хімії. Саме поняття про речовину по суті диалектично, тому в процесі його формування відбувається розвиток діалектичних поглядів у учнів.

Система понять про речовину складається з наступних компонентів: 1) склад речовин; 2) будова; 3) властивості; 4) класифікація; 5) отримання; 6) хімічні методи дослідження; 7) застосування. Обмежуватися виділенням лише відомого «трикутника»: склад - будова - властивості - для цілей навчання недостатньо, незважаючи на його провідну роль. (Див. схему 3.8.) Всі елементи системи взаємно пов'язані і в процесі вивчення хімії розглядаються в єдності.

Схема 3.8.

Поняття про отримання речовин

Поняття про? хімічних

методах дослідження речовин

Поняття про класифікацію речовин Поняття Про Поняття Про склад будову речовин

ч речовин год>

Поняття Про властивості речовин Поняття про застосування речовин

Через блоки понять про методи дослідження, властивості і отриманні речовин система понять про речовину пов'язана з системою понять хімічної реакції, через блоки про склад, будову, класифікації - з системою понять про хімічний елемент. Через блок понять про отримання та застосуванні речовин здійснюється зв'язок з системою понять про основи хімічного виробництва. Поняття про застосування речовин також прив'язані до кожного окремого конкретного речовині і розглядаються на підставі його властивостей.

Спочатку розглянемо структуру кожного елемента системи так, як вона повинна бути сформована в результаті вивчення учнями курсу хімії, а потім - послідовність їх формування в системі за ступенями навчання.

Структура системи понять про речовину

Структура системи понять про класифікацію речовин

Класифікацію речовин (схема 3.9.) Не можна дати тільки на основі якогось одного критерію. Це сильно обіднить уявлення учнів про речовину. Так, наприклад, неорганічні речовини учні класифікують спочатку за складом. Після вивчення електронної будови речовини з'являється новий принцип класифікації речовин за будовою речовини - за видами хімічного зв'язку і за типами кристалічної решітки. Цей принцип класифікації речовин отримує свій розвиток в темах «Теорія електролітичної дисоціації», де розбирається донорно-акцепторні механізм ковалентного зв'язку, а також в темі «Метали», де вивчаються металевий зв'язок і металева кристалічна решітка.

Схема 3.9.

Система понять про класифікацію речовин за складом

Речовини Складні

Прості I

Органічні

Неорганічні о о о а о а про з про

S

л

_ Q

а с;

с; га

с; ь

Л ш

<в? 2 х

CD S

3 га X а. про

D т

с [<

При розгляді теорії електролітичної дисоціації речовини класифікують за властивостями в розчинах. Далі при вивченні поведінки в окислювально-відновних реакціях речовини поділяють на окислювачі і відновники. Узагальнення знань з неорганічної хімії слід підвести підсумок цієї класифікації.

У органічної хімії спочатку класифікація здійснюється за складом на три великі групи: вуглеводні, кисло-родсодержаніе і азотсодержаніе, а всередині їх - за будовою.

Таким чином, головними критеріями класифікації речовин є їх склад і будову. Розподіл речовин по свій-

9 * 259 ствам на окислювачі і відновники, а також на електроліти та неелектроліти є, по-перше, відносним, а по-друге, функцією складу і будови речовин. Відносність і суперечливість будь-якої класифікації слід всякий раз підкреслювати, проводячи ідеї марксистсько-ленінської діалектики.

Поняття про класифікацію речовин дозволяють встановлювати зв'язки між речовинами різних груп, підкреслюють ідею матеріальної єдності світу.

Характеристика властивостей речовин у процесі вивчення хімії

Властивості речовин систематизують виходячи з їх складу або будови. Зв'язки ці причинно-наслідкові.

Серед фізичних властивостей вказують такі, які можна встановити органолептически (колір, запах, агрегатний стан тощо), визначити розрахунком (відносна щільність газів, відносна молекулярна маса і т. п.), виміряти приладами (щільність, твердість, електрична провідність, температури плавлення і кипіння і т. п.).

Хімічні властивості речовин виявляються в хімічних реакціях. Їх класифікація залежить від класифікації самих речовин, від їх складу і будови. Розрізняють властивості речовин неорганічних (метали, неметали, оксиди, гідроксиди і пр.) і органічних (граничні, неграничні, ароматичні вуглеводні, кислородсодержащие, азотовмісні).

В основі понять про хімічні методи дослідження речовин також лежить вивчення їх складу і будови. Склад речовин встановлюють методами якісного та кількісного аналізу. Для виявлення будови необхідні складні фізико-хімічні прилади, що не застосовуються в школі. Тому про будову речовин (переважно органічних) судять по прояву ними властивостей, обумовлених будовою або наявністю певних функціональних груп, а іноді - на підставі особливостей їх отримання (синтезу). Крім того, існують теоретичні методи дослідження речовин, наприклад прогнозування властивостей на основі класифікації речовин або періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, моделювання (у тому числі й «уявний експеримент»), використання знакових моделей (хімічної символіки) та ін

Послідовність формування та розвитку системи понять про речовину

Розвиток хімічного поняття в курсі хімії середньої школи підкоряється тим же законам діалектики, що і будь-яке дру-roe явище: спочатку йде період накопичення фактів, кількісних змін, потім - період вивчення різних сторін поняття, поступового вдосконалення, розширення і поглиблення знань про об'єкт в процесі застосування поняття, коли ж з'являється можливість узагальнити отримані учнями знання на основі нової теорії, відбувається якісний стрибок у формуванні поняття, що знаменує певний етап у розвитку мислення учнів.

Невеликі якісні зміни в окремих блоках поняття про речовину спостерігаються в кожній темі, однак найбільш значно це відбувається в процесі вивчення чергової теоретичної концепції.

Формування системи понять про речовину починається з самих перших уроків на основі міжпредметних зв'язків з фізикою. Визначення речовини не дають, роз'яснюють тільки сенс поняття про речовину в зіставленні з уже відомим учням з фізики поняттям про тіло і говорять про те, що кожна речовина має свої властивості. Але оскільки тіла можуть складатися з різних речовин, дається поняття про суміші речовин і про чистому речовині і відразу ж включається поняття про методи дослідження, наприклад, способи очищення речовин. Поняття про молекулі використовується те, що було отримано на уроках фізики. Потім вводиться перше поняття про класифікацію речовин на прості та складні та їх визначення. Майже відразу дається поняття про кількісну характеристиці речовини - про їх відносної молекулярної масі, про сталість їх складу.

На практичному занятті в учнів вперше починають формуватися практичні вміння. Це робота з найпоширенішими лабораторними інструментами і пристроями - газовим пальником (або спиртівкою), лабораторним штативом Бунзена і т. д. Тут же учнів необхідно ознайомити з правилами техніки безпеки при користуванні пальником і при інших видах роботи.

Далі автори різних програм і підручників йдуть різними шляхами. Деякі конкретизують вивчені поняття, вводячи теми «Водень», «Кисень», «Вода», збагачуючи поняття про речовину фактами, готуючи дітей до сприйняття надалі періодичного закону. Іноді поряд з цим поступово вводяться по черзі поняття про класи неорганічних речовин з тим, щоб надалі їх узагальнити і звести в єдину систему. Такий підхід визначається великими складнощами, з якими зустрічається вчитель при формуванні знань про класи неорганічних речовин, здійснюючи при цьому індуктивний логічний підхід.

Інші автори відразу дедуктивно переходять до узагальненого розгляду класів неорганічних речовин, орієнтуючись на те, що з курсу природознавства учням багато чого відомо про кисень, водні та воді. Але у всіх випадках не забувають про хімічний експерименті, про практичні заняття, в ході яких активно збагачуються фактами такі компоненти поняття, як склад, властивості речовин, їх отримання, застосування та дослідження. При цьому питання будови речовини залишаються на колишньому атомно-молекулярному рівні.

У блоці «Склад речовини» відображена і кількісна сторона. Її обсяг різний у різних підручниках. Крім обов'язкового поняття про відносну атомної масі і відносній молекулярній масі багатьма авторами вводяться поняття про кількість речовини і про одиниці кількості речовини - молі, про молярної масі і молярном обсязі газів при нормальних умовах, про закон Авогадро, відносної щільності газів; поняття про тепловий ефект хімічних реакцій і розрахунки як за формулами, так і за рівняннями реакцій. Саме на цьому етапі учні знайомляться з принципами вирішення хімічних задач різних типів, що надалі з'явиться базою для розвитку цих умінь. Одночасно отримує розвиток і використання хімічної символіки.

Дуже важлива тема «Узагальнення відомостей про найважливіші класах неорганічних сполук». Не у всіх програмах і підручниках вона носить таку назву, але суть її саме в цьому. Її не оминає жоден з авторів. При цьому розкривається генетичний зв'язок між класами неорганічних речовин.

Ця тема дуже важлива для розвитку розумових прийомів - порівняння, синтезу, узагальнення. Тут узагальнюються знання за поняттями всіх блоків і встановлюються причинно-наслідкові зв'язки між ними. При проведенні уроків з цієї теми повторюють і узагальнюють матеріал всього пройденого до цього часу курсу.

У темі «Періодичний закон і періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва» поняття «речовина» отримує новий розвиток. Поряд з періодичною залежністю властивостей елементів від заряду ядра атома виявляється така ж чітка залежність і для їх сполук. Знання учнів зводяться на новий теоретичний рівень: створюються умови для прогнозування властивостей сполук, пізнання наукової картини світу, формується база для далекої-дової навчання за допомогою дедуктивного підходу. Через поняття «речовина» встановлюється зв'язок між атомно-молі-кулярную вченням і вченням про періодичність.

У темі «Хімічний зв'язок. Будова речовини»здійснюється стрибок у системі понять про будову речовини, які майже не розвивалися протягом усього вступного курсу хімії.

Подальше вивчення неорганічних речовин триває дедуктивно на новій теоретичній основі. Завдяки можливостям прогнозування, використовується проблемний підхід, підвищується питома вага самостійної роботи учнів, розвивається їх уміння міркувати, брати участь у дискусії, підбирати потрібні аргументи.

При подальшому систематичному вивченні хімії простих і складних речовин за групами періодичної системи прийнята єдина послідовність: склад і будова простих речовин, аллотропия, фізичні та хімічні властивості, одержання, застосування. Деякі пункти плану іноді опускаються, якщо, наприклад, отримання речовин вимагає розгляду складних для розуміння процесів або застосування речовини обмежена. Проте в деяких випадках авторами обирається інший підхід. Речовини вивчаються не за групами періодичної системи, а за періодами. Вивчення по підгрупах переноситься в цьому випадку на старшу ступінь навчання.

Після вивчення теорії електролітичної дисоціації речовини розглядаються з позиції іонних уявлень, розвивається поняття про іонах. У розділі «Іонна зв'язок» наводилися як приклад тільки прості іони. Тепер вже йдеться про складні іонах, утворених різними елементами, наприклад сульфат-іоні S042-, нітрат-іоні N03 і т.

п. Вводяться нові принципи класифікації речовин на електроліти та неелектроліти, на сильні і слабкі електроліти. Відзначається вплив типу хімічної будови на поведінку речовин у розчині. З позиції теорії електролітичної дисоціації учні вивчають властивості електролітів у розчинах, хімічні властивості кислот, основ, амфотер-них гідроксидів і солей, удосконалюючи поняття про ці класах речовин. Їх властивості розглядають в процесі виконання лабораторних дослідів і при вирішенні експериментальних завдань. Вивчається також поведінка речовин в окисно-відновних реакціях. Подальший розгляд речовин в наступних темах здійснюється вже з позиції теорії електролітичної дисоціації і вчення про окисно-відновних процесах. Система понять про речовину доповнюється новими фактами у міру знайомства з новими речовинами, удосконалюється в процесі застосування знань.

Якісний стрибок у розвитку поняття про речовину настає при вивченні теми «Загальні властивості металів». При розгляді металевого зв'язку новий зміст набуває поняття про метал як простому речовині. Розвиваються всі сторони цього поняття, насамперед структурні уявлення про метал і, як наслідок, його властивості. При вивченні конкретних металів весь комплекс понять про речовину вдосконалюється і поглиблюється в процесі їх застосування на основі вчення про окисно-відновних процесах та теорії електролітичної дисоціація.

Великий якісний стрибок у розвитку поняття про речовину здійснюється при вивченні органічної хімії. Тут система понять про речовину з перших уроків набуває абсолютно нові характеристики по всіх параметрах. В її основу також кладеться поняття про склад і будову органічних речовин. Продовжують розвиватися поняття про якісний (елементному) і кількісний склад речовини. У органічної хімії особливо чітко можна показати діалектичну закономірність залежності якісної зміни властивостей від кількісного складу речовин. Важливо показати практичну значимість цієї залежності при переході від низькомолекулярних до високомолекулярних сполук - від мономерів до полімерів.

Формування понять про властивості органічних речовин базується на уявленнях про їх склад і будову. Блок класифікації речовин поповнюється новим принципом поділу речовин за складом на неорганічні і органічні (з'єднання вуглецю), тим самим підкреслюється особливість складу органічних речовин. Надалі класифікація речовин за складом деталізується при діленні органічних речовин на вуглеводні, кислородсодержащие і азотовмісні органічні речовини. Однак в органічній хімії характеристика речовин за складом є, як відомо, абсолютно недостатньою, і тому далі класифікація органічних речовин здійснюється за ознакою подібності та відмінності в їх будові. Послідовність вивчення цих груп речовин визначається ускладненням їх будови.

У органічної хімії система понять про будову речовини збагачується таким великим числом якісно нових знань, що актуалізація попередніх опорних знань стає обов'язковою умовою засвоєння учнями змісту органічної хімії.

Поняття хімічної будови: хімічну будову як порядок з'єднання та взаємного впливу атомів в молекулах, ізомерія, гомологія.

Поняття електронної будови: електронна природа хімічних зв'язків в органічних сполуках, поняття про гібридизації орбіталей атома вуглецю, п-і а-зв'язках, про електронні впливах атомів в молекулах органічних речовин, довжині зв'язку.

Поняття просторової будови - більш високий етап пізнання будови по відношенню до хімічною будовою. Маються на увазі поняття про валентних кутах і геометрії молекул органічних речовин.

Особливу увагу в органічній хімії приділяється енергетичним характеристикам речовин, зокрема, енергії зв'язку.

Питання хімічного, електронного, стереохимического будови органічних речовин, енергетичні уявлення набувають такий потужний розвиток, що відокремлюються в окрему теорію.

Система понять про хімічні методи дослідження поповнюється поняттями, специфічними для роботи з органічними речовинами. Учні вчаться збирати більш складні прилади, розділяти рідини, користуючись повітряним холодильником, визначати органічні речовини на основі властивостей і будови, знаходити молекулярну формулу газоподібного органічної речовини за його щільності і процентному складу, а також за масою продуктів згорання і їх щільності. Велику роль у розвитку уявлень учнів про методи дослідження органічних речовин покликані зіграти екранні посібники, якщо складність цих досліджень не дозволить використовувати їх в середній школі.

Методи навчання при формуванні поняття про речовину зазнають суттєвих змін. На всіх етапах вивчення поняття широко використовується хімічний експеримент. Однак поступово складність дослідів та їх аналізу зростають. Якщо спочатку хімічний експеримент переслідує чисто описові мети - виявлення властивостей речовин, то надалі він використовується як непрямий доказ їх внутрішньої будови, як засіб розвитку мислення учнів. Чим складніше і абстрактніше стає зміст поняття, тим більше приділяється уваги моделюванню - об'ємному, площинному, знакової.

4. Етапи формування поняття «хімічна реакція»
У силу того, що поняття хімічна реакція є досить складним і багатогранним, сформувати повне уявлення про всі його сторони, розкрити всю його філософську сутність неможливо за короткий проміжок часу. Більш того, дане поняття формується протягом всього курсу навчання хімії.
Поняття «хімічна реакція» формується поетапно [13].
Перший етап (8 клас). На початкових етапах вивчення хімії використовується індуктивний підхід. В основі вивчення, як джерело хімічної пізнання лежить хімічний експеримент. У результаті спостереження за експериментом учні усвідомлюють утворення нових речовин у ході протікання хімічної реакції. Але в експериментальному вивченні реакцій не приділяється уваги її сутності, акцент робиться на зовнішні прояви (зміна забарвлення розчину, виділення газу, випадання осаду).
Поняття про хімічну реакції починає формуватися з самих перших уроків. Спочатку дають поняття про явища, що відбуваються в природі, повсякденному житті, побуті, розмежовуючи явища на фізичні і хімічні. А потім повідомляють учням про тотожність понять «хімічне явище» і «хімічна реакція». На рівні атомно-молекулярного вчення роз'яснюють, як можна за зовнішніми ознаками виявити протікання хімічної реакції.
Класифікація хімічних реакцій дається на рівні порівняння числа вихідних і отриманих речовин. При цьому учні використовують такі розумові прийоми як порівняння, аналіз, синтез, узагальнення. Всі ці відомості включені в розділ «Початкові хімічні поняття». Далі всі сторони системи понять про хімічну реакцію повинні розширюватися і доповнюватися новими даними, тобто починається етап накопичення. Закономірності перебігу хімічної реакції розбираються на найпростіших прикладах: так вплив температури розглядається на реакції утворення сульфіду заліза, реакції окислення розглядаються як процес з'єднання речовини з киснем, поняття про реакції обміну на прикладі взаємодії кислот з оксидами і т.д.
На другому етапі (8 клас) поняття про хімічну реакції отримує подальший розвиток. Починають формуватися енергетичні уявлення про хімічних реакціях. Розглядається поняття про екзо-і ендотермічних реакціях, вводиться нове поняття про тепловий ефект хімічної реакції, термохімічних рівняннях та їх складанні. При вивченні енергетичних ефектів з'являється можливість показати не тільки якісну, а й кількісну сторону хімічної реакції. Кількісні відносини речовин, що вступили в реакцію, трактуються як молярні відносини реагуючих речовин.

На третьому етапі (8 клас) формування поняття «хімічна реакція» зазнає якісних змін в темі «Хімічний зв'язок. Будова речовини». У даній темі хімічна реакція починає трактуватися як руйнування одних зв'язків та освіта інших. Розглядається це на прикладі окислювально-відновних реакцій. Механізм цих реакцій пояснюють з точки зору переходу електронів, піднімаючись тим самим на більш високий теоретичний рівень.
На основі нового поняття «ступінь окиснення» аналізують відомі учням реакції різних типів, доводячи тим самим, що серед реакцій будь-якого типу можна знайти окислювально-відновні.
У темі «Підгрупа Оксигену» вводиться нове поняття алотропія і відповідні їй новий тип реакцій - алотропні перетворення.
Четвертий етап (9 клас). У розділі «Закономірності хімічної реакції» вводиться поняття про швидкість хімічної реакції і про що впливають на неї факторах (температура, концентрація, поверхню дотику). Тут же розглядається питання про оборотності хімічної реакції і про хімічний рівновазі. Необхідно підкреслити динамічний характер хімічної рівноваги, чинники, що викликають зсув хімічної рівноваги. Таким чином, учні знайомляться ще з одним типом хімічної реакції - оборотними.
Етап п'ятий. На даному етапі відбувається знайомство учнів з такою важливою темою як «Теорія електролітичної дисоціації». Вона крім світоглядного значення (ілюстрація єдності і боротьби протилежностей - молярізаціі і дисоціації) вносить багато нового в пояснення механізму реакцій. На базі поняття про оборотних реакціях можна пояснити сутність процесу дисоціації, а також гідролізу солей, розглянутого в іонній формі, щоб не вводити поняття про гідроксосолях.
Далі вивчення хімічної реакції відбувається дедуктивно. Знання, сформовані на базі перерахованих теорій, застосовуються для пояснення фактів і явищ і прогнозування перебігу процесів.
Етап шостий (9 - 10 класи). Подальші розвиток поняття про хімічну реакції здійснюється в курсі органічної хімії. Доповнюються поняття про класифікацію хімічних реакцій, вводяться нові типи реакцій, наприклад реакції ізомеризації, полімеризації, етерифікації та ін У органіці вводиться якісно новий матеріал і в поняття про механізми реакцій. Так, наприклад, розглядається вільнорадикальних механізм на прикладі реакцій заміщення (галогенування алканів), приєднання (полімеризація), відщеплення (крекінг). Розширюється поняття про іонному механізмі хімічної реакції: наводяться приклади приєднання неорганічних сполук до алкенів, реакцій заміщення при гідролізі галогеналканов.
Доповнюється також система понять про закономірності перебігу хімічних реакцій. При розвитку поняття «швидкість хімічної реакції» відзначається вплив енергії зв'язку і її типу. Знання про каталіз та каталізаторах доповнюються в органіці знаннями про ферменти.
Етап сьомий (11 клас). На завершальному етапі навчання підводяться підсумки, узагальнюються знання про хімічні реакції. В кінці навчання учні повинні зуміти охарактеризувати запропоновану їм як приклад хімічну реакцію в світі компонентів її змісту.

 

5.