Использование цифровой лаборатории в учебном процессе как инновационный подход в работе с одаренными детьми на пропедевтическом этапе изучения химии

Использование цифровой лаборатории в учебном процессе как инновационный подход в работе с одаренными детьми на пропедевтическом этапе изучения химии В работе представлены теоретические основы и описание методик проведения практических работ по некоторым разделам пропедевтического курса химии в 5-6-х классах с использованием оборудования цифровой лаборатории. Ключевые слова: цифровая лаборатория, пропедевтический курс химии, детская одаренность.

В связи со становлением и развитием системы образовательных телекоммуникаций, новые информационные технологии и ИКТ-инфраструктура учебного процесса, а именно система аппаратных средств и лабораторного оборудования, объектов и инструментов, предназначенных для организации учебной и научно-исследовательской деятельности учащихся, успешно включаются в нашу профессиональную деятельность - деятельность педагога, в том числе и учителя химии. У нас в школе - это оборудования «точки роста».

В различных видах школьного химического практикума мы с вами используем в основном качественные задачи, реализуемые нами на уроке через систему демонстрационных опытов и практических работ. Однако уровень организации химического эксперимента в школе находится далеко не всегда на должном уровне , в то время как овладение основными навыками проведения качественного и количественного эксперимента является важным условием развития базовых химических компетенций с самого начала изучения предмета. В связи с этим возникает необходимость пересмотра существующих тематик демонстрационных опытов и практических работ, а также методического сопровождения школьного эксперимента в плане его проблемно-исследовательского обоснования и инструментальной поддержки новым учебным оборудованием «Точки роста».

Опыт современного образования показывает, что изучение химии как раздела естествознания или как самостоятельной дисциплины в 5-6-х классах становится необходимым условием успешной адаптации учащихся к усвоению сложного материала по предмету в старшем звене, формирования у них основных химических компетенций и, что немаловажно, важным этапом работы с одаренными детьми [8]. Раннее изучение предмета и работа с одаренными по химии детьми младшего возраста можно считать одним из возможных способов решения многих проблем в школьном химическом образовании, связанных с низким уровнем усвоения учащимися практико-ориентированных компетенций. В этих условиях существенно возрастает роль ученического химического эксперимента, организованного как в традиционной, так и в инновационной форме - например, как мы с вами уже делаем, через использование в учебном процессе цифровых лабораторий. Именно поэтому обучение и воспитание одаренных детей на пропедевтическом этапе изучения химии и активизация их учебно-познавательной деятельности на уроке и во внеурочное время с использованием оборудования цифровых лабораторий составляют важную проблему теории и методики обучения химии. Цифровая лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из связанного с персональным компьютером измерительного блока и набора датчиков, регистрирующих значения определяемых физических параметров процесса (рН, температура, электропроводность и др.). Использование такого инновационного оборудования обеспечивает автоматизированный сбор и обработку данных эксперимента, результаты которого могут сохраняться в режиме реального времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью [9]. Цифровые лаборатории существенно расширяют возможности учителя в организации проблемного и поискового эксперимента, научно-исследовательской и проектной деятельности с одаренными детьми как в урочное, так и во внеурочное время [10-11]. Во многих школах Республики Адыгея учителя-новаторы в работе с одаренными детьми широко используют электронные образовательные ресурсы, в том числе и цифровую лабораторию, которая поступила почти во все образовательные учреждения Республики в ходе реализации национального проекта «Образование». Учащиеся имеют возможность проводить следующие лабораторные работы [9], использование которых в школьном образовательном процессе несколько лет назад было невозможно:

1. Изучение эндотермических и экзотермических реакций.

2. Изучение электрической проводимости веществ с различным типом связи.

3. Изучение зависимости степени диссоциации слабого электролита от его концентрации.

4. Влияние температуры на растворимость соли.

5. Титрование раствора щелочи раствором кислоты.

6. Изучение зависимости скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ.

7. Измерение рН бытовых кислот и оснований и др.

В ходе проведений занятий пропедевтического курса химии в 5-х и 6-х классах некоторых образовательных учреждений Республики Адыгея, которые являются инновационными и экспериментальными площадками были созданы, апробированы и внедрены в учебный процесс практические работы с использованием оборудования «Точки роста». Особого внимания заслуживают методики проведения практических работ по химии в 5-6-х классах по темам «Растворы и взвеси» и «Кислоты», поскольку эти разделы школьного курса химии являются важным этапом развития основных химических компетенций учащихся и во многом сложны для понимания. В настоящей работе описание химического эксперимента с использованием оборудования цифровой лаборатории представлено в соответствии с ФГОС второго поколения [12] на основе авторской образовательной программы [13] и учебно-методического пособия по химии в 5-6-х классах [14].

Тема: «Растворы и взвеси» (5 класс)

Название практической работы: «Изучение влияния природы вещества на тепловой эффект его растворения в воде».

Форма: демонстрационный эксперимент.

Время проведения: 25-30 мин.

Цель: изучить влияние природы вещества на тепловой эффект его растворения в воде (экзо- и эндотермические процессы) с использованием оборудования цифровой лаборатории.

Задачи:

1. Определить изменение температуры при растворении безводного сульфата меди в определенном объеме воды, взятой при комнатной температуре.

2. Определить изменение температуры при растворении нитрата аммония в определенном объеме воды, взятой при комнатной температуре.

3. Сравнить результаты измерений и сделать вывод о влиянии природы вещества на тепловой эффект его растворения.

Измеряемые параметры: масса, объем, температура.

Оборудование и материалы: электронные весы, мерный цилиндр, датчики температуры, воронка, резиновая пробка с отверстиями для датчиков температуры и воронки, химический стакан на 250 мл, магнитная мешалка, вода, безводный сульфат меди, нитрат аммония, фильтровальная бумага.

Правила техники безопасности:

1. Химические вещества нельзя брать руками и проверять их на вкус.

2. Остатки химических веществ не высыпайте (не вливайте) обратно в сосуд с чистыми веществами, а ссыпайте (вливайте) в специальную емкость.

Теоретическое введение. Если тепло в ходе растворения веществ выделяется, то такой процесс называют экзотермическим, если поглощается - эндотермическим. При растворении кристаллического вещества в воде одновременно происходят два процесса: разрушение кристаллической решетки с образованием ионов (имеет место эндотермический тепловой эффект) и сольватация образуемых ионов (имеет место экзотермический тепловой эффект). При растворении кристаллических веществ в воде в зависимости от их природы, то есть от соотношения тепловых эффектов процессов разрушения решетки и сольватации ионов, возможно как выделение, так и поглощение тепла.

Ход работы. С помощью мерного цилиндра отмерьте и налейте в химический стакан 50 мл воды комнатной температуры и поставьте его на магнитную мешалку. С использованием электронных весов и фильтровальной бумаги приготовьте по 10 г каждого из выданных веществ (безводного сульфата меди и нитрата аммония). Закройте химический стакан резиновой пробкой с датчиком температуры и воронкой, вставленными в соответствующие отверстия. Включите магнитную мешалку и регистратор данных температуры, настроенный на измерение параметров с интервалом в 1 с, подождите 1-2 мин для установления теплового равновесия и перенесите приготовленную массу безводного сульфата меди в химический стакан. Измерения температуры проводите в течение 5-6 мин. Зарисуйте в тетрадь полученные на мониторе компьютера графики зависимости температуры от времени при растворении безводного сульфата меди в воде, определите максимальное изменение температуры в этом процессе. Повторите опыт с нитратом аммония, полученные результаты также занесите в тетрадь.

Оформление отчета в тетради.

Вопросы по работе:

1. Что такое раствор?

2. Что можно сказать о тепловом эффекте растворения безводного сульфата меди и нитрата аммония в воде? Измерение какой величины позволяет сделать такой вывод?

3. Почему для проведения опыта мы растворяли оди наковую массу веществ в одинаковом объеме воды?

Тема «Кислоты» (6 класс)

Название работы: «Определение кислотности молочных продуктов - пастеризованного молока, биойогур та и кефира».

Форма: лабораторный эксперимент.

Время проведения: 15-20 мин.

Цель: определить кислотность молочных продуктов - пастеризованного молока, биойогурта и кефира с использованием оборудования цифровой лаборатории.

Задачи:

1. Определить кислотность (рН) различных молочных продуктов.

2. Сравнить результаты измерений и

сделать вывод о влиянии способа получения и хранения молочного продукта на его кислотность.

Измеряемый параметр: рН.

Оборудование и материалы: стеклянный датчик рН, штатив с зажимами, три химических стакана по 50 мл каждый, дистиллированная вода, промывалка, фильтровальная бумага, пастеризованное молоко, биойогурт, кефир.

Правила техники безопасности:

1. Чувствительный элемент стеклянного датчика рН является очень хрупким, поэтому категорически запрещается касаться им любых твердых поверхностей или ронять.

2. После каждого измерения кислотности раствора необходимо осторожно промывать стеклянный датчик рН, ополаскивая его водой из промывалки и досуха вытирая фильтровальной бумагой.

Теоретическое введение. Поскольку учащимся 5-6-х классов не знакомо понятие логарифмов, то водородный показатель в данной лабораторной работе приобретает для них формальное значение. Тем не менее учащиеся легко усваивают, что кислотность или основность среды обусловливает величину рН раствора, определяемую экспериментально при помощи цифровой лаборатории. В дистиллированной воде или нейтральных растворах значение рН равно 7, в кислых растворах значение водородного показателя меньше 7, а в щелочных - больше 7. С ростом кислотности раствора водородный показатель уменьшается. Определить, кислотной или щелочной является среда раствора, можно с использованием индикаторов (фенолфталеина, лакмуса или метилового оранжевого), но они не позволяют определить точное значение рН раствора. Кроме того, в некоторых случаях (например, в случае интенсивно окрашенных растворов) применение индикаторов затруднительно. Для точного определения водородного показателя используются рН-метры (стеклянный датчик рН цифровой лаборатории).

Ход работы. Налейте в каждый из трех химических стаканов на 2/3 его объема пастеризованного молока, биойогурта или кефира соответственно. Закрепите стеклянный датчик рН на лапке штатива и погрузите его в один из стаканов не менее чем на 3 см. После того, как

показание прибора перестанет изменяться, запишите значение водородного показателя в тетрадь. Извлеките стеклянный датчик из раствора и промойте его водой из промывалки, тщательно вытирая его фильтровальной бумагой. Повторите опыт с другими молочными продуктами, полученные результаты также занесите в тетрадь.

Оформление отчета в тетради. Результаты измерений следует занести в таблицу.

Таблица

Определение кислотности молочных продуктов

Исследуемый раствор Пастеризованное молоко Биойогурт Кефир

Значение рН

Характер среды раствора

Вопросы по работе:

1. Что такое индикатор?

2. Чем определяется значение рН раствора?

3. Какой из исследуемых молочных продуктов обладает большей кислотностью? Как вы думаете, с чем это может быть связано?

Таким образом, использование оборудования цифровой лаборатории в учебном процессе отражает современный подход в обучении одаренных по химии школьников 5-6-х классов, направленный на создание инновационной образовательной среды, в которой одаренные дети могут развивать свои творческие способности и практические умения, на привлечение их внимания к важным и сложным темам по предмету, а также на формирование устойчивой мотивации к изучению химии в течение всего периода обучения.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1.

2.

3.

4.

5.

Опыт внедрения методов компьютерной поддержки учебного процесса / Т. И. Ахмедова, О. А. Жильцова, Н. Б. Ковалевская, А. В. Кривцова // Химия: методика преподавания в школе. М.: Школьная Пресса, 2002. № 4. С. 74-80. Безрукова Н. П., Звягина А. С., Оспенникова Е. В. Цифровые образовательные ресурсы в школе: методика использования // Естествознание: сб. учеб.-метод. материалов для пед. вузов / под общ. ред. Е. В. Оспенниковой. М.: Университетская книга, 2008. 480 с.

Назарова Т. С. Проблема образовательных стандартов и формирование фундаментального ядра содержания общего среднего образования // Современные тенденции развития химического образования: фундаментальность и качество: сб. / под общ. ред. В. В. Лунина. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2009. С. 55-69. Кузнецова Н. Е. Проблемы и тенденции развития общего химического образования // Химия в школе. 2009. № 3. С. 10-17. Жилин Д. М. Химический эксперимент в российских школах // Естественнонаучное образо-

вание: тенденции развития в России и в мире: сб. / под общ. ред. В. В. Лунина, Н. Е. Кузьмен-ко. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2011. С. 125-149.

6. Злотников Э. Г. Химический эксперимент как специфический метод обучения // Химия. Первое сентября. 2007.№ 24. С. 18-25.

7. Беспалов П. И., Дорофеев М. В. Количественный эксперимент в средней школе // Химия. Первое сентября. 2012.№ 1. С. 14-22.

8. Оржековский П. А. Формирование у учащихся опыта творческой деятельности при обучении химии. М.: ИОСО РАО, 1997. 121 с.

9. Цифровая лаборатория «Архимед». Метод. материалы. М.: Институт новых технологий, 2007. 376 с.

10. Гильманшина С. И., Миннуллин Р. Р. Организация исследовательской деятельности как мотивация к познанию химических явлений // Химия в школе. 2006. № 3. С. 58-62.

11. Эрлих Г. В. Какая химия должна изучаться в современной школе? // Естественнонаучное образование: тенденции развития в России и в мире / под ред. В. В. Лунина и Н. Е. Кузьменко. М.: МГУ, 2011. С. 59-87.

12. Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования / М-во образования и науки РФ. М.: Просвещение, 2011. 48 с.

13. Гуськов И. П., Шепелев М. В. Программы по химии для 5-9 классов. Иваново: Автономное учреждение «Ин-т развития образования Ивановской обл.», 2010. 68 с.

14. Шепелев М. В., Гуськов И. П. Химия. 5-6 кл. Дополнительный материал к учебнику «Физика. Химия. 5-6 кл.». Иваново: Автономное учреждение «Ин-т развития образования Ивановской обл.», 2009. 136 с.