Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ О КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВ В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ ОБУЧЕНИЯ ХИМИЙ 13-56
I. Теории кислотно-основного взаимодействия и их значение для познания реакционной способности веществ 13- 26
2. Понятия кислот и оснований в практике преподавания школ и в методических исследованиях 26- 40
3. Возможная система понятий о кислотно-основных свойствах веществ в содержании обучения химии в средней школе 40- 55
Выводы 55- 56
ГЛАВА II. ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЯ О РАСТВОРАХ - ВАЖНОЕ УСЛОВИЕ РАЗВИТИЯ ЗНАНИЙ О КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВ 57-Ш
I. Методика изучения взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем (водой) 57- 95
2. Результаты педагогического эксперимента по проверке методики формирования понятий о водных растворах веществ и их свойствах 95-110
Выводы
ГЛАВА III. РАЗВИТИЕ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ О КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ПРОТОННОЙ ТЕОРИИ II2-I58
I. Отбор содержания и методика изучения протонной теории в IX классе I12-124
2. Применение протонной теории кислотно-основного взаимодействия при объяснении гидролиза солей в IX классе 124-133
3. Использование представлений о протонном механизме кислотно-основного взаимодействия при изучении органической химии 134-142
4. Результаты педагогического эксперимента по проверке эффективности методики формирова ния понятии о кислотно-основных свойствах веществ на основе протонной теории 142-158
Выводы 158
- Теории кислотно-основного взаимодействия и их значение для познания реакционной способности веществ
- Методика изучения взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем (водой)
- Отбор содержания и методика изучения протонной теории в IX классе
Введение к работе
Изучение химии в школе вносит важный вклад в общее образование учащихся, формирование их мировоззрения» политехническую и трудовую подготовку. Качество обучения во многом определяется глубиной и прочностью знаний учащихся, их готовностью и умением применить теории в целях объяснения и предсказания явлений окружающего мира. Чем более широкими теоретическими обобщениями будут характеризоваться знания, тем большее количество новых фактов может быть осознано учащимися. В условиях все возрастающего потока научной информации задача формирования у учащихся обобщенных и действенных знаний становится особенно актуальной. Эти знания должны вооружать молодежь в ее практической деятельности.
Среди понятий, формируемых при обучении химии важное значение имеют понятия кислоты и основания. Усвоение свойств этих веществ имеет важное значение для политехнического образования и подготовки учащихся к активной трудовой деятельности в различных отраслях народного хозяйства.
Изучение кислотно-основных свойств веществ и растворов имеет также большое познавательное значение. Каждое вещество характеризуется определенным отношением к кислотам и основаниям. Поскольку каждое неорганическое вещество генетически связано с определенным химическим элементом и характеризует его, то и кислотно-основные свойства, хотя и относятся к веществу, однако в такой же мере характеризуют соответствующий химический элемент. В этом заключается большое значение знаний о кислотно-основных свойствах веществ для развития знаний о химических элементах, об их периодической системе. Ведь основное
содержание курса неорганической химии составляет конкретное усвоение периодического закона и периодической системы химических элементов в свете современных представлений о строении атомов как высшего обобщения знаний о химических элементах [б, 42, 65, 70, 82, 96, 115].
Д.И.Менделеев относил к коренным понятиям химии наряду с ведущим кардинальным понятием химического элемента , и важнейшие свойства элемента, в том числе и кислотно-основные свойства его соединений.
При изучении курса неорганической химии познание свойств веществ определенных классов идет непрерывно, как в период подготовки к изучению периодического закона, так и во время его изучения. На основе периодического закона и теории строения вещества возрастают возможности для дедуктивного объяснения и прогнозирования свойств элементов и их соединений определенных классов, в том числе классов кислот и оснований.
Система знаний о кислотно-основных свойствах веществ играет существенную роль для формирования общей системы химических знаний. В связи с этим важно своевременно начать знакомить с ней учащихся, чтобы на этой основе построить последующее изучение предмета, "а не изучение фактов с последующими теоретическими экcкypcaми,, C7J.
В тесном единстве с понятиями кислот и оснований находится понятие о растворах. Кислоты и основания - это электролиты. Растворы же являются преимущественной формой существования электролитов. Понимание сущности растворения является исходным, ключевым для характеристики веществ и взаимодействий между ними, которые протекают в растворах.
В школьном курсе неорганической химии свойства названных веществ рассматриваются с позиции теории электролитической диссоциации С.Аррениуса. Оцнако ряд фактов, касающихся кислотно-основных свойств некоторых неорганических и особенно органических веществ, находится в противоречии с положениями рассмотренной теории. Объяснение свойств, например, аммиака, спиритов, карбонових кислот, аминов и др. требует привлечения более обобщенных теоретических представлений, позволяющих с единых позиций разобраться в сущности кислотно-основных свойств как неорганических, так и органических веществ. Общий подход важен и для понимания идеи единства материального мира, его многообразия.
Изучение практики преподавания показало, что учащиеся недостаточно владеют знаниями о кислотно-основных свойствах веществ [85]. Они мало опираются на теорию строения вещества, затрудняются при объяснении взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем, не всегда могут объяснить и особенно предсказать возможные результаты взаимодействия веществ, не могут отразить эти процессы уравнениями реакций. Знания учащихся о кислотно-основных свойствах веществ и о растворах, как правило, фрагментарны, основаны на запоминании, а не на понимании взаимосвязи кислотно-основных свойств веществ.
Фрагментарность сведений о кислотно-основных свойствах веществ присуща и курсу химии. Они рассматриваются разрозненно во времени и в свете разных учений (атомно-молекулярного, периодического закона Д.И.Менделеева и теории строения вещества, теории электролитической диссоциации, теории химического строения А.М.Бутлерова). В связи с этим отсутствуют условия для
содержательного, на основе единого принципиального подхода, обобщения. Все это является обстоятельствами, препятствующими созданию у учащихся целостной системы знаний о кислотно-основных свойствах веществ. Эти обстоятельства появились потому, что данная проблема мало исследовалась в методике обучения химии. Проведенные же исследования (Н.Е.Ыатюкиной, М.К.Клеянки-ной) касались либо методики формирования отдельных понятий, входящих в систему знаний о кислотно-основных свойствах веществ, либо методики рассмотрения этого материала на одном из этапов обучения химии.
В учебнике IX класса и в процессе обучения теорий электролитической диссоциации излагается недостаточно обобщенно. Довольно сложно изложены вопросы о зависимости свойств гидрокси-дов и водородных соединений неметаллов от их состава и строения (учебники I969-I98I гг.), о составлении ионных уравнений реакций обмена, о классах неорганических соединений, о гидролизе солей (учебники 1969-1982 гг.). Преобладает описательный стиль изложения. Разработано мало упражнений и задач, необходимых для осознанного усвоения и применения знаний и умений учащихся по вопросу о взаимодействии веществ определенных классов неорганических со единений.
Еще немало недостатков в практике обучения. Достигая успешного проведения отдельных уроков, учителя не всегда обеспечивают эффективность обучения в целом, в системе [ 36, 58, 74 J. Учителя испытывают затруднения в постановке познавательных заданий и задач с использованием изученных теорий и при проведении эксперимента, связанного с кислотно-основными взаимодействиями, в подведении учащихся к теоретическим обобщениям на основе эксперимента.
Требование практики обучения в отношении совершенствования методики формирования основных понятий химии, к числу которых относятся понятия о кислотно-основных свойствах веществ, послужили причиной для выбора темы нашего исследования.
Объектом нашего исследования является формирование у учащихся знаний о кислотно-основных свойствах веществ.
Предмет нашего исследования: методика формирования системы знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ при обучении химии в средней школе.
Целью исследования является определение условий и методических путей формирования системы знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ.
Идея исследования: система знаний о кислотно-основных свойствах веществ должна выполнять обобщающую роль при усвоении курса неорганической и органической химии и тем самым способствовать укреплению внутри^предметных связей и повышению осознанности знаний учащихся.
В соответствии с целью и идеей исследования выдвинута гипотеза, включающая следующее:
I. Система знаний о кислотно-основных свойствах веществ может быть сформирована у учащихся при условиях: а) широкого использования теоретических знаний, приобретенных учащимися при изучении периодического закона Д.И.Менделеева и теории строения вещества, для характеристики строения и свойств кислот и оснований; б) совершенствования знаний химического языка и умений применять его для выражения сущности кислотно-основного взаимодействия; в) введения понятия о взаимодействии растворяемого вещества и растворителя для выяснения влияния среды на свойства веществ; г) развития понятий кислота и основание в свете
протонной теории для осознания учащимися роли сореагентов в проявлении веществом двойственных свойств; д) проблемного подхода при изучении кислотно-основных свойств веществ и организации самостоятельной работы учащихся по заданиям, требующим широкого прголенения знаний для объяснения свойств и предсказания поведения различных веществ, являющихся кислотами и основаниями при их взаимодействии друг с другом.
2. Овладение учащимися системой знаний о кислотно-основных свойствах веществ будет способствовать повышению качества знаний о периодическом законе, строении вещества и умений осознанно применять их при объяснении зависимости свойств от строения и от свойств сореагентов, прогнозировании свойств изучаемых веществ.
Согласно поставленной цели исследования для проверки выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи;
На основе историко-логического анализа развития важнейших теорий кислот и оснований и анализа состояния преподавания в средней школе определить возможности обобщенного рассмотрения понятий, касающихся кислотно-основных взаимодействий в растворах, для чего провести отбор и структурирование содержания учебного материала школьного курса.
Определить наиболее эффективные методы и приемы, способствующие осознанному усвоению системы понятий о кислотно-основных взаимодействиях.
Выявить влияние разработанной методики на качество обучения.
Для реализации цели исследования и поставленных в нем задач применялись различные методы:
изучение и анализ философской» химической, психолого-педагогической и учебно-методической литературы по теме исследования;
наблюдение и анализ процесса изучения кислотно-основных свойств веществ в школах;
анализ бесед с учителями и учащимися, школьной документации по изучению кислотно-основных свойств веществ;
проведение педагогического эксперимента (поискового, констатирующего, обучающего, контрольного) и обработка его результатов.
Этапы исследования.
I этап (1972-1974 гг.). Теоретический анализ общепедагогической и методической литературы по проблеме формирования знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ. На этом этапе появилась возможность определить элементы системы знаний о кислотно-основных свойствах веществ, а также взаимосвязь между этими элементами.
П этап (1974-1976 гг.). Разработка гипотезы исследования. На этом этане был проведен констатирующий эксперимент с целью определения уровня знаний учащихся и особенностей практического опыта современного преподавания кислотно-основных свойств веществ в растворах. В этот же период был проведен поисковый эксперимент по выявлению системы опытных уроков; были разработаны пробные методические рекомендации.
Ш этап (Ї976-І980 гг.). Проверка гипотезы исследования. Этап включал проведение обучающего эксперимента по разработанной методике, которая была направлена на формирование обобщенных и осознанных знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ. В ходе последующего контролирующего эксперимента был
- II -
осуществлен сбор объективных данных, позволяющих выявить целесообразность предложенной в диссертации методики и преимущества экспериментального варианта обучения по сравнению с традиционно сложившимся изучением кислотно-основных свойств веществ в школе.
ІУ этап (I980-I98I гг.). Проведение уточняющего эксперимента и обобщение результатов исследования.
Достоверность результатов эксперимента.
Исследование проводилось на протяжении 7 лет в 9-Ю классах средних школ.
Констатирующий эксперимент осуществлялся на базе б средних школ. В нем использовались результаты проверки качества знаний учащихся, полученные при массовых проверках методистами Красноярского краевого института усовершенствования учителей.
Проверка экспериментальных методических разработок шла на базе 5 школ: Маганской средней школы, средних школ I и 2 рабочего поселка Берёзовка Емельяновского района Красноярского края, средних школ №№ 29, 95 г.Красноярска.
Экспериментальные уроки проводили учителя химии Г.Я.Дубов-ская, Н.А.Пащенко, Э.Л.Григорьева, Т.А.Данилина и автор исследования.
При отборе экспериментальных и контрольных классов мы старались соблюдать равенство условий в уровне подготовки учащихся, в формах проверки их знаний.
Результаты эксперимента перепроверялись различными путями: наблюдения на уроках, на выпускных экзаменах в школах; изучение школьной документации; анкетирование и беседы с учителями и школьниками; анализ письменных ответов учащихся.
На защиту выносится методическая концепция формирования знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ на основе усиления обобщения этих знаний, укрепления внутрипредметных связей.
В методическую концепцию входят: особенности построения методической системы формирования знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ; уточнение и дополнение содержания системы знаний о кислотно-основных свойствах веществ; структурирование отобранного содержания; методические пути и средства формирования системы знаний о кислотно-основных свойствах веществ.
На базе выработанной концепции построена методическая система формирования обобщенных знаний учащихся о кислотно-основных свойствах веществ.
- ІЗ -
Теории кислотно-основного взаимодействия и их значение для познания реакционной способности веществ
Важным предметом изучения химии являются химические реакции. Среди них большую роль играют кислотно-основные взаимодействия.
Вопрос о природе кислот и оснований давно является одним из важнейших в химии, а в последнее время значение его возросло, так как в связи с бурным развитием химии необходимо теоретически объяснять и обобщать изобилие экспериментальных сведений, охватывающих все многообразие кислотно-основных взаимодействий. Несмотря на то, что понятия "кислота" и "основание" являются основными в химии, они никогда не были определены однозначно. "... Нет никакой возможности дать точное определение словам: кислота, основание, соль. Какое бы мы определение не предложили, мы всегда встретим трудности или в том, что оно обнимает не все случаи, или в том, что не имеет определенных границ и сливается с другими" Г118, с. 9 J- так писал еще в 1849 году основатель термохимии Г.Гесс.
На большое значение понятий "кислота" и "основание" указывает тот факт, что на них опираются многие понятия химии, начиная с понятия химического элемента. Различие химических элементов металлов и неметаллов обосновываются основными или кислотными свойствами их соединений. М.Х.Карапетьянц писал: "Необходимость в различных теориях Кислот и оснований обусловлена тем, что природа многогранна, каждое даже самое элементарное явление имеет много сторон и особенностей. В одних задачах важны одни детали химического взаимодействия, в других - другие"Г 40, с.2491 Теории кислот и оснований имеют большое теоретическое и практическое значение. На их основе объясняются реакции в неводных растворах, сравниваются электролиты по их силе в неводных растворителях. Так, в уксусной кислоте дифференцируют соляную, азотную, хлорную и другие кислоты, которые в воде являются сильными и не различаются по силе; в жидком фтороводороде азотная и уксусная кислоты, спирты и даже углеводороды будут основаниями, а в жидком аммиаке вода, спирты и даже углеводороды будут вести себя как кислоты.
В неводных растворах ведут многочисленные процессы электролиза для получения как неорганических, так и органических веществ. В неорганической химии в расплавах получают фтор, щелочные, щелочноземельные и другие металлы. В органической химии электролизом из неводных растворов получают адипонитрил-сырье для синтеза органических продуктов.
Рассмотрим интересующие нас теории в логико-историческом аспекте с тем, чтобы оценить возможности ознакомления с ними учащихся для формирования системы понятий о кислотно-основных взаимодействиях. Ведь при отборе содержания о кислотно-основных свойствах веществ для школьного курса химии следует исходить из методологического положения о единстве логического и исторического методов. На уроках химии следует использовать исторический подход к раскрытию понятий, теорий и законов. Привлекая исторический материал, следует знакомить учащихся с тем, как совершались в науке открытия, как возникают и разрешаются при этом противоречия, какое влияние на развитие науки оказывает общественная практика, какой вклад в сокровищницу научного знания внесли выдающиеся ученые-химики Г 81].
Первая теория кислот и оснований - "кислородная теория Лавуазье (1778 г.). А.Лавуазье полагал, что все кислоты состоят из двух простых, далее неразложимых веществ - кислорода и кислотного радикала. Эта теория развита Берцелиусом, который, в зависимости от того, соединяется ли кислород с металлом или неметаллом, считал, что образуются оксиды, противоположные в электрохимическом отношении и имеющие поэтому свойства оснований или кислот. Основания рассматривались как электрохимическая противоположность кислот. Вещество амфотерно. Проявление свойств кислоты или основания является функциональным, а не абсолютным свойством вещества.
Методика изучения взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем (водой)
Как известно, первое представление о физико-химической природе растворов учащиеся получают в УП классе. Однако здесь нет возможности раскрыть сущность растворения, поскольку о строении веществ, видах химических связей и типах кристаллических решеток учащиеся узнают позднее. Полученных в восьмилетней школе знаний достаточно, чтобы, опираясь на них, в начале IX класса, более глубоко вскрыть сущность растворения, еще раз убедительно показать зависимость свойств веществ от строения, познакомить с диссоциацией солей, оснований и кислот.
Изучение диссоциации веществ и процессов растворения осуществляется на основе теории строения веществ. В начале IX класса у учащихся знания этой теории недостаточно полные. Выявление и восполнение пробелов в знаниях - важная задача процесса обучения. Характер и объем повторения в начале IX класса зависят от подготовки учащихся. Мы обычно проводим 3-4 урока повторения [І9І
При актуализации опорных знаний по периодическом закону Д.И.Менделеева и по теории строения вещества важно обратить внимание на конкретизацию теоретических представлений при выводе и обосновании формул веществ, а также при объяснении и прогнозировании свойств веществ, в том числе кислот и оснований. Достижение указанной цели как в УШ классе, так и при повторении в начале IX класса осуществляется в процессе применения знаний и умений учащихся характеризовать химический элемент согласно его положения-в периодической системе Д.И.Менделеева и строению вещества, при этом обязательно составляются основные формулы веществ с указанием их кислотно-основных свойств. Важно закрепить умения выводить отдельные конкретные формулы веществ, составлять электронные формулы веществ, определять по формуле число неподе-ленных электронных пар, определять степени окисления элементов, виды химических связей и типы кристаллических решеток. Овладевая указанными умениями, учащиеся тем самым готовятся анализировать состав, строение отдельных веществ и сущность взаимодействий между растворяемым веществом и растворителем. Такая направленность обучения была предусмотрена в нашем эксперименте
Для подготовки к изучению диссоциации веществ мы повторяем зависимость свойств веществ от типов кристаллических решеток, включая электропроводность в число свойств веществ. Затем объясняем, почему металлы проводят электрический ток, обсуждаем вопрос о том, какова электрическая проводимость веществ с молекулярными и с ионными решетками. Учащиеся предполагают, что вещества с молекулярными решетками неалектропроводны, так как в их составе нет электронов и ионов для проведения электрического тока, а ионные соединения должны быть электропроводны, так как состоят из ионов. Однако опыт противоречит предположению.
Наличие противоречия в учебном материале - основа возникновения проблемы. Противоречие разрешается путем объяснения прочности ионных связей между противоположно заряженными ионами в твердом ионном соединении, где ионы связаны так, что, находясь в колебательном движении, они не могут перемещаться и переносить электрический заряд.
Также предварительно мы повторяем с учащимися, что происходит при плавлении веществ. Явления объясняются самими учащимися: при нагревании тепловая энергия частиц увеличивается настолько, что преодолеваются силы, которые удерживали их в кристалле в определенном положении. В узлах молекулярных решеток находятся полярные или неполярные молекулы, между которыми действуют относительно слабые межмолекулярные силы, поэтому такие вещества являются легкоплавкими. Продолжая рассуждать вместе с учащимися, еще раз напоминаем, что для того, чтобы разорвать связи между ионами, например, в хлориде натрия, требуется нагревание до 800С. Наблюдение электрической проводимости расплава ионных соединений: гидроксидов натрия и калия, нитрата калия необходимо в дальнейшем для сравнения с электрической проводимостью их растворов. Сравнивается электрическая проводимость металлов и расплавов ионных соединений. Сходство проявляется в наличии частиц-переносчиков электричества: электронов или ионов. Поскольку электрическая проводимость является одним из основных свойств веществ, важно выявить взаимосвязь ее с типом кристаллической решетки.
Отбор содержания и методика изучения протонной теории в IX классе
На основании проведенных опытов и их анализа делаем вывод о том, что реагирующее вещество не получает от сореагента никаких новых свойств. Однако взаимодействие, отношение с реагентом раскрывает внутренне присущие свойства исследуемого вещества. "Свойства данной вещи не возникают из ее отношения к другим вещам, а лишь обнаруживается в таком отношении..." [I"]. Свойства кислот, оснований и других веществ внутренне присущи этим веществам, независимо от человека и эксперимента с ними, но эти свойства необходимо доказать, убедиться в них, выявить их по отношению к соответствующим реагентам.
Учащиеся отмечают, что протон Н+ единственный катион, не имеющий ни одного электрона и обладающий радиусом в 100000 меньше радиусов других ионов. Здесь же обязательно объясняется, что протон не существует сам по себе, как считал Аррениус, и что повторяется во многих современных учебниках. Протон не может существовать отдельно, так как его малый заряд сконцентрирован в очень малом объеме. Поэтому он присоединяется к частицам с не-поделенными электронными парами, не отталкиваясь от них, поскольку у него отсутствуют электроны. Неподеленная электронная пара частицы идет на образование химической связи с протоном по до-норно-акцепторному механизму.
Учащиеся убеждаются в исключительных свойствах протона по такому примеру: "... ионы водорода сами по себе не существуют; они всегда сольватированы или соединены с какими-либо другими р молекулами. Дело в том, что электрическое поле (е ) около голого протона (с радиусом порядка 10 см) настолько чудовищно велико, что ионы водорода могут существовать только в газообразном состоянии при крайне малых давлениях, когда столкновения с другими молекулами или ионами происходят очень редко" [82].
Сущность перехода протона на основе электронной теории мы объясняем на примере реакции нейтрализации между водными растворами гидроксида натрия и соляной кислоты. Учащиеся знают, что вещества в растворе находятся в диссоциированном состоянии. При соприкосновении двух растворов противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу. Если соединение ионов натрия и хлора не приводит к изменению, так как образующийся хлорид натрия мгновенно диссоциирует на ионы, то притяжение между ионом гидроксония и гидроксид-ионом приводит к образованию воды, которая является прочным и малодиссоциирую-щим веществом, то есть происходит химическая реакция
На основе анализа опытов и записи уравнений реакций видно, что протон переходит от одного вещества к другому. Протон Н+ - акцептор электронной пары; доноры, имеющие неподеленные электронные пары атомы сильно электроотрицательных элементов: 0 » S t Л/ » С& , B i и других. После этого учитель дает определения: Кислота - это вещество, которое отдает протон основанию. Основание - вещество, которое присоединяет протон от кислоты по донорно-акцепторному механизму.
