Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Курс общей химии в системе химического образования высшей и средней школы.
1.1 Анализ содержания курсов общей химии, изучаемых в вузах и средней школе 8
1.2. Химическая термодинамика в курсе общей химии 19
1.3. Методы обучения общей химии в вузах 24
1.4. Семинар в системе обучения студентов общей химии. Методические подходы к проведению семинарских занятий по общей химии в вузе и их обоснование 29
1.5. Роль компьютера в учебном процессе на семинаре при обучении общей химии 34
1.6. Контроль и диагностика результатов обучения студентов на семинарских занятиях...39 Глава 2. Формирование концепции обучения студентов общей химии на семинарских занятиях на основе химической термодинамики как системообразующего фактора 46
2.1. Отбор материала по химической термодинамике для семинарских занятий по курсу общей химии, построенному на основе химической термодинамики как системообразующего фактора 46
2.2. Построение семинарских занятий по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора 49
Глава 3. Организация и проведение формирующего эксперимента по обучению студентов общей химии на семинарских занятиях на основе химической термодинамики как системообразующего фактора 57
3.1 Проведение семинара по химической термодинамике по различным методикам 57
3.2 Методика оценивания эффективности проведения семинара по химической термодинамике
3.3 Сравнение результатов трех вариантов обучения 65
3.4. Обсуждение результатов и рекомендации по проведению семинара по химической термодинамике 66
3.5. Исследование методики проведения семинаров по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора 69
3.6. Результаты исследования эффективности проведения семинарских занятий по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора и обсуждение результатов 73
Выводы 93
Литература 94
Приложения 108
Приложение 1. Содержание химической термодинамики в программах по общей химии [151] Приложение 2. Межпредметные связи, выявленные при анализе программ по общей химии [151] 111
Приложение 3. Тест по химической термодинамике 112
Приложение 4. Планы семинарских занятий 144
Приложение 5. Результаты выполнения заданий констатирующего исследования в 1998/1999
и 1999/2000 учебных годах 148
Приложение 6. Примеры заданий коллоквиумов и результаты выполнения заданий коллоквиумов студентами географического, геологического факультетов и факультета фундаментальной медицины МГУ 153
Приложение 7. Результаты выполнения заданий итоговой работы студентами географического, геологического факультетов и факультета фундаментальной медицины МГУ 170
- Анализ содержания курсов общей химии, изучаемых в вузах и средней школе
- Отбор материала по химической термодинамике для семинарских занятий по курсу общей химии, построенному на основе химической термодинамики как системообразующего фактора
- Проведение семинара по химической термодинамике по различным методикам
Введение к работе
Высшее образование нацелено на обучение специалистов широкого профиля, способных к постоянному творческому поиску и приобретению новых знаний. Основными целями обучения общей химии являются:
Создание прочного фундамента теоретических знаний по общей химии, необходимых для успешного изучения других химических дисциплин, предусмотренных учебным планом соответствующих специализаций (физическая, аналитическая, коллоидная, органическая химия и др.), а также ряда учебных дисциплин, связанных с химией (гидрология, метеорология, кристаллография, экология, биохимия, биофизика и др.)
Формирование у студентов приемов научного мышления для пополнения и применения знаний при решении научно-исследовательских проблем.
В сложившейся практике преподавания курс семинарских занятий по общей химии строится линейно. В подобно построенном курсе отдельные темы образуют непрерывную последовательность тем (химическая термодинамика, кинетика, равновесия в растворах неэлектролитов и электролитов и т.д.), прорабатываемых за время обучения один раз. При такой структуре изложения знания, не усвоенные студентами должным образом на предыдущих семинарах, не могут в полной мере использоваться при изучении последующих тем, а, значит, эффективность обучения падает. При изучении каждой последующей темы учащиеся должны активно привлекать ранее полученные знания. Однако этого не происходит по причине, описанной выше, а также из-за низкой мотивации студентов к изучению курса общей химии. Негативную роль также играет малая связанность тем семинаров. Зачастую последовательность тем является исторически сложившейся или произвольно выбранной вузом, Преподаватели зачастую не объясняют студентам цели изучения химии на естественнонаучных факультетах и не показывают перспектив изучения химии. Не выявляются межпредметные связи между химией и предметами, изучаемыми студентами на своих факультетах или потоках. В результаге знания студентов по химии приобретают формальный характер. Это проявляется в том, что:
Знания, формируются при запоминании материала без понимания его примене
ния.
Отсутствует соотнесение полученных знаний с прежними представлениями и
понятиями (наблюдается так называемое обособление знаний).
Таким образом, основная проблема исследования заключается в формальности знаний по общей химии у студентов нехимических естественнонаучных специальностей вузов. Традиционное построение курса семинаров по общей химии и методы, используемые при обучении, не способствуют формированию осознанных и системных знаний по общей химии для дальнейшего изучения химии в вузе.
4 Решение данной проблемы лежит в разработке подхода к обучению химий, в основе
которого лежит усиление взаимосвязей между различными разделами курса. Это возможно при использовании фундаментального раздела курса общей химии в качестве системообразующего фактора. Под системообразующим фактором нами понимается система теорий, законов и понятий, которые связывают разделы в единый курс.
Термодинамика является одним из основополагающих разделов курса обшей химии в вузе. Зачастую обучение студентов естественнонаучных нехимических специальностей начинается с этого раздела. Энергетические изменения являются внутренней сущностью химических процессов, позволяющие глубже понять закономерность их протекания.
В связи с этим актуальной представляется разработка методики проведения семинаров по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора.
Актуальность обусловлена:
необходимостью устранения формализма знаний по общей химии у студентов естественнонаучных специальностей вузов;
назревшими в высшей школе условиями для построения курса общей химии на основе системообразующего фактора;
слабой разработанностью в методике обучения химии задачи построения курса семинарских занятий по общей химии на основе системообразующего фактора.
Основная идея работы заключается в переосмыслении содержания курса семинаров по общей химии и в разработке нового методического подхода к обучению общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора.
Объект исследования: процесс обучения общей химии на естественнонаучных факультетах вузов.
Предмет исследования: структура курса семинарских занятий по общей химии на основе термодинамики как системообразующего фактора.
Цель данного исследования заключается в разработке построения содержания и организации обучения общей химии студентов естественнонаучных нехимических специальностей вузов на основе химической термодинамики, как системообразующего фактора.
В настоящей работе была выдвинута гипотеза, что формирование прочного фундамента знаний по химической термодинамике, построение системы семинаров по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора, выявление взаимосвязи раздела химической термодинамики с остальными разделами данного курса и с другими естественнонаучными дисциплинами, позволит студентам осознать общую химию, как целостную систему, направленную на:
* получение системных и осознанных знаний по общей химии;
формирование основ научного мышления.
Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:
I. Провести констатирующее исследование:
а) проанализировать педагогическую, методическую и научную литературу по теме ис
следования;
б) проанализировать учебные программы и учебные планы, используемые на различ
ных факультетах;
в) выявить исходный уровень знаний студентов.
II. Разработать методически обоснованную концепцию построения курса семинарских
занятий по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фак
тора.
III. Разработать методический подход к проведению семинарских занятий по курсу об
щей химии:
а) разработать систему семинаров по общей химии, построенную на основе химической
термодинамики как системообразующего фактора;
б) разработать методику проведения семинара по химической термодинамике.
IV. Проверить эффективность предлагаемого методического подхода.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечена:
опорой на выводы психологической науки, общей и частной дидактики;
использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам.
В работе использовались следующие методы исследования: анализ психолого-педагогической литературы по проблеме исследования, методы констатирующего исследования и формирующего эксперимента, системный подход, методы педагогического исследования с использованием специально разработанных заданий для диагностики формируемых знаний, тестирование, качественный и количественный анализ ответов студентов, математическая обработка результатов исследования и их методическая интерпретация.
Исследование проводилось в несколько этапов (1996 - 2000 гг.):
Констатирующее исследование, которое позволило теоретически изучить состояние исследуемой проблемы, определить цели, предмет, задачи, гипотезу исследования.
Теоретический этап по разработке концепции построения курса семинарских занятий по общей химии на основе химической термодинамики как системообразующего фактора.
Экспериментальный этап по организации и проведению педагогическою эксперимента с целью проверки эффективности проведения семинара по химической термодинамике. Анализ и интерпретация результатов этого этапа исследования.
Экспериментальный этап по организации и проведению педагогического эксперимента с целью проверки выдвинутой рабочей гипотезы.
Заключительный этап по анализу и интерпретации результатов педагогического эксперимента, обобщению результатов всего исследования, формированию научных выводов.
Научная новизна:
Создана новая система обучения студентов на семинарах по общей химии, в основу которой положена химическая термодинамика, в качестве системообразующего фактора.
Создан комплект дидактических материалов для методического обеспечения предлагаемого курса (планы семинаров, тестирующая компьютерная программа по химической термодинамике, комплекс заданий вводного, рубежного и итогового контроля).
Теоретическая значимость работы состоит в создании методических основ курса семинарских занятий по общей химии, построенного на основе химической термодинамики как системообразующего фактора. Обоснована необходимость построения курса на основе этого подхода.
Практическая значимость работы: предлагаемый методический подход к созданию и использованию системы семинарских занятий по общей химии дает возможность применять его при обучении общей химии в вузе.
Достоверность результатов обусловлена выбором адекватных современных методов исследования, положительными значениями показателей эффективности разработанного подхода к обучению общей химии.
Апробация и внедрение результатов.
Результаты исследования обсуждались на:
VIII Международной конференции-выставке "Информационные технологии в образовании", Москва, 1998 г.;
Всероссийском научно-методическом семинаре в МПГУ им. В. И. Ленина, 1998 г.
научной конференции «Ломоносовские чтения-99», Секция «Методические проблемы непрерывного образования», подсекция «Химия и экология», Москва, 1999 г.;
Международной научно-практической конференции «Совершенствование преподавания химии в школе и вузе», Иркутск, 1999 г.
Международном конгрессе «Наука и образование на пороге III тысячелетия». Минск, 2000 г.
7 XLVIII Герценовских чтениях (Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Актуальные проблемы современного химико-педагогического и химического образования"), С.-Петербург, 2001 г. заседании лаборатории химии ИОСО РАО, 2001 г.
заседании кафедры неорганической химии и методики обучения химии МПГУ им. В. И. Ленина, 2001 г.
Результаты исследования используются в практике работы кафедры общей химии химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Ее содержание изложено на 107 страницах. Полный текст диссертации состоит из 177 страниц. В работу включено 55 рисунков, 17 таблиц, 3 схемы. Список использованной литературы содержит 229 наименование, из них 23 на иностранных языках. В приложениях приводятся содержание раздела «Химическая термодинамика» в различных программах по общей химии; межпредметные связи, выявленные при анализе программ по общей химии; полный текст теста по химической термодинамике, разработанный автором; результаты выполнения студентами заданий контрольного среза знаний учащихся; варианты заданий коллоквиумов и результаты их выполнения; результаты выполнения заданий итоговой работы.
На защиту выносятся следующие положения:
Использование химической термодинамики как системообразующего фактора требует перестроения содержания семинаров и их последовательности в курсе общей химии.
Построение семинарских занятий на основе химической термодинамики как системообразующего фактора способствует формированию у студентов основ научного мышления, а также системных и осознанных знаний по общей химии.
Анализ содержания курсов общей химии, изучаемых в вузах и средней школе
Анализ содержания структуры учебников показал, что основным критерием, определяющим последовательность изложения тем, является выбор автором основного объекта изучения: вещество или химическая реакция.
Большинство вузовских учебников ориентировано на систему понятий о веществе [111. 129, 135, 149, 218, 228 и др.]. В этих учебниках в начало выносятся разделы «строение атома», «химическая связь», «периодический закон Д. И. Менделеева».
Следует отметить, что последовательность изложения даже этих трех разделов общей химии различнау разных авторов. Так в учебных пособиях, [111, 129, 135, 149, 218, 228 и др,], порядок изложения принят следующий: строение атома - периодический закон и периодическая система элементов - химическая связь. В ряде других пособий [31, 49, 199, 200 и др.] эта последовательность иная: периодический закон и периодическая система элементов - строение атома - химическая связь.
Анализ построения курсов, ориентированных на систему понятий о веществе, показывает, что общим для значительного числа курсов является построение в следующей последовательности: строение атома - химическая связь - описание свойств химических элементов и их соединений. Подобное построение, по-видимому, объединяется идеей, которую четко выразил Я. А. Угай [190, с. 3]: «Идея взаимосвязи химического строения вещества ... й его свойств проходит красной нитью через весь курс неорганической химии. В этой связи обращается особое внимание на теорию химического строения А. М. Бутлерова в ее современной интерпретации, являющейся по своему существу общехимической теорией... В конечном итоге важнейшей задачей химии... было и остается выявление зависимости между химическим строением вещества, с одной стороны и его свойствами - с другой».
Необходимо отметить, что О. М. Полторак [148] и Ю. А. Пентин [139] в своих работах аргументированно показывают, что поиски однозначной связи между строением молекул и химическими свойствами вещества заранее обречены на неуспех. Без знаний основ химической термодинамики и кинетики невозможно делать выводы о возможности протекания химического процесса, глубины и скорости его протекания. Подтверждение этой мысли имеется и у Г. П. Лучинского [111, с. 3]: «Современный уровень развития химии требует изложения курса науки с позиции учения о строении вещества и термодинамики».
Второй тип учебников ориентирован на систему понятий о химической реакции [68, 122 и др.], и их гораздо меньше, чем учебников первого типа. В этих учебниках на первый план выносится изучение закономерностей протекания химических реакций, т.е. термодинамический и кинетический аспекты.
В разных учебниках различна последовательность изложения основ химической термодинамики и кинетики. В учебниках [96, 98, 111, 129, 135, 190, 200] авторы ставят на первое место химическую термодинамику, а на второе - кинетику. В других пособиях и учебниках [ 11, 49, 183, 184, 222, 229] предлагается порядок: кинетика - термодинамика.
Кроме того, как отмечалось выше, само положение указанных тем в курсе также существенно различается. Например, в пособиях [49, 98, 129, 224] упомянутые темы излагаются вслед за строением атома, периодической системой и понятием о химической связи. В учебниках [31, 111, 121, 143, 216] термодинамика и кинетика рассматриваются значительно позже; они фактически предшествуют описанию химических свойств элементов и соединений.
Порядок изложения тем практически никем из авторов, за исключением ОС. Зайцева [68], Б. В. Некрасова [119], Г. И. Новикова [122] и ряда других, не обосновывается, и в существующих учебниках наблюдается большое разнообразие последовательности их введении.
Г. И. Новиков [122] предлагает построение учебного пособия, основываясь на "последовательности ступеней теоретических начал химии: стехиометрия, термохимии,
эргохимии (химическое равновесие и основы химической термодинамики), хронохимия (основы кинетики), начала учения о строении вещества (строение атома, молекул, жидкостей, кристаллов и соединений с невалентными связями) [122, с. 3].
Автор считает, что при таком построении курса основы теории строения веществ воспринимаются как естественный переход от теории химических процессов к химии элементов и их соединений.
Б.В.Некрасов [119] строит содержание учебника на основе Периодического закона Д. И. Менделеева, Автор отмечает, что «...нужно всемерно стараться не просто «излагать» курс, а его логически развертывать, что особенно важно... при рассмотрении теоретических вопросов... Само построение должно в первую очередь обеспечить возможность его логического развертывания» [119, с. 5-6].
Особое место занимает учебное пособие "Химия. Современный краткий курс" О. С. Зайцева [68]. Книга рассчитана в значительной степени на самостоятельное изучение предмета, "цель книги - развить у студентов химическое мышление, чтобы будущий специалист мог не только самостоятельно решать различные химические проблемы, но и перенести общие методы научной работы в работу по специальности" [68, с. 3]. Автор указывает, что рассмотрение состояния вещества и химических реакций дается на основании фундаментальных теорий современной химической науки и их взаимосвязей. Логической основой упомянутого курса является система знаний о четырех фундаментальных учениях: о направлении химических процессов (химическая термодинамика) и их скорости (кинетика), теории строения вещества и периодичности изменения свойств элементов и их соединений
Отбор материала по химической термодинамике для семинарских занятий по курсу общей химии, построенному на основе химической термодинамики как системообразующего фактора
Отбор материала по химической термодинамике для семинарских занятий по курсу общей химии, построенному на основе химической термодинамики как системообразующего фактора
Как было показано выше (1.1), при построении курса общей химии наиболее приемлемой последовательностью изложения материала является следующая: химическая термодинамика (без химического равновесия) —» химическая кинетика + химическое равновесие —# растворы, равновесия в растворах — строение атома — химическая связь — периодический закон Д. И. Менделеева. Химическая термодинамика является основополагающим разделом курса общей химии, поэтому семинар по химической термодинамике стоит в различных курсах общей химии одним из первых [151]. Знания, формируемые на этом семинаре, следует считать базовыми. На них строится дальнейшее изучение курса общей химии. Поэтому актуальной проблемой является отбор содержания химической термодинамики, которая является системообразующим фактором для экспериментального курса семинаров по общей химии.
Отбор материала по химической термодинамике для проведения семинарских занятий по общей химии был осуществлен по следующим принципам [63]:
Соответствие материала современному уровню науки;
Возможность использования материала студентами в будущей научной деятельности;
Взаимосвязь материала семинара и материала, представленного в учебниках и пособиях, рекомендованных студентам;
Использование знаний из других дисциплин в пределах изученного на данный момент объема;
Ограничение материала учебной программой и временем изучения курса общей химии;
Наличие связи материала семинаров с другими разделами курса общей химии;
Наличие межпредметных связей с другими дисциплинами.
Содержание химической термодинамики в программах по общей химии для различных специальностей вузов представлены в приложении в табл. 11.
На основе анализа содержания раздела химической термодинамики в программах по общей химии и литературы (в 1.1 и 1.2) раздел химической термодинамики представляется системой состоящей из пяти составляющих, расположенных в следующей последовательности (см. схему I).
Как отмечалось в 1.2, раздел «Химическая термодинамика» имеет связи практически со всеми разделами курса общей химии, такими, как:
Скорость химической реакции. Механизмы химических реакций. Катализ;
Растворы. Равновесия в растворах;
Окислительно-восстановительные процессы;
Основы электрохимии;
Химическая связь;
Комплексные соединения;
Дисперсные системы;
Периодический закон и периодическая система химических элементов. Анализ программ по общей химии и по другим естественнонаучными дисциплинам [151, 152, 153] выявил, что раздел «Химическая термодинамика» имеет много межпредметных связей (с биологией, геологией, медициной, экологией и другими дисциплинами, которые изучают студенты естественнонаучных специальностей) (см. прил. 2, табл. 12). Следует отметить, что в программах по общей химии [153], межпредметная интеграция не выявлена в полном объеме.
В формировании системных научных знаний важную роль играет не только обоснованно отобранный предметный материал, но и последовательность его изучения, которая, в основном, определяется следующими тремя дидактическими принципами: системностью, доступностью и научностью.
Проведение семинара по химической термодинамике по различным методикам
Для того, чтобы студенты могли использовать знания по химической термодинамике, следует заложить полные и глубокие знания основ химической термодинамики на первых семинарах. Поэтому сначала исследовалась эффективность проведения семинара по химической термодинамике.
В 1996/97 учебном году, было проведено исследование эффективности проведения семинара по химической термодинамике.
Мы сравнивали методики проведения семинара по термодинамике. Эксперимент состоял в том, что трех группах студентов (по 13 человек) были проведены три типа семинара: общепринятый семинар (семинар проводится так, как он реализуется на потоке) компьютерный семинар (индивидуальная работа студентов с компьютерной обучающей программой) комбинированный семинар (комбинирование индивидуальной работы студентов с компьютерной обучающей программой, обсуждение наиболее важных вопросов и объяснение трудных понятий)
Исходный уровень знаний студентов был проверен на первом семинаре (констатирующее исследование). Им было предложено выполнить следующее задание: Дано уравнение реакции горения графита в кислороде
1) Какая это реакция; экзо- или эндотермическая?
2) Рассчитайте массу графита, необходимую для получения 1179,3 кДж теплоты. Количественные данные выполнения предложенного задания приведены на рис. 3. По оси ординат отложен процент успешности выполнения заданий, т.е. % правильно выполненных заданий от общего числа заданий, по оси абсцисс - номер вопроса задания, проверяющего начальный уровень знаний студентов. Опираясь на данные рис. 4, можно сказать, что только по 15% студентов во всех группах могут дать характеристику реакции по тепловому эффекту и могут производить термохимические расчеты.
Можно сделать вывод, что уровень знаний студентов по химической термодинамике перед обучением практически одинаков. Следует отметить, что большинство студентов к моменту начала обучения общей химии не умеют проводить элементарные термохимические расчеты и характеризовать реакции по энергетическим эффектам.
В программах и учебных планах по общей химии семинар «Основы химической термодинамики» идет одним их первых. На нем закладываются термодинамические знания, опираясь на которые учащиеся могут рассчитывать значения АН, AS, AG химических процессов и оценивать принципиальную возможность протекания химических процессов в заданных условиях.
Основная цель этого семинара - заложить прочную основу знаний по химической термодинамике, так как успешное изучение курса общей химии невозможно без разрешения основных вопросов химической термодинамики:
С каким тепловым эффектом протекает процесс?
Возможно ли самопроизвольное протекание процесса, и при каких условиях?
Какова глубина протекания химического процесса?
Для семинаров был отобран один и тот же учебный материал, включающий основные законы и понятия химической термодинамики.
Семинар в общепринятом варианте проводился по методике, используемой большинством преподавателей вузов для объяснения основных понятий термодинамики. В этой методике основное время уделялось объяснению преподавателем учебного материала и обучению студентов навыкам решения типовых задач. В начале занятия проводится фронтальная работа но актуализации знаний, полученных учащимися на предыдущей лекции по химической термодинамике. Затем преподаватель знакомит студентов с понятиями: химические системы, тепловой эффект реакции, процессах с выделением и поглощением теплоты, стандартных и нормальных условиях, энтальпии различных процессов: образования веществ, образования химической связи, фазового перехода и сгорания веществ. Особое внимание уделяется решению задач на закон Гесса и следствий из него. Далее студенты знакомятся с понятием энтропии, вторым и третьим законом термодинамики, свободной энергией и энергией Гиббса, критерием самопроизвольного протекания химических процессов. Студенты решают задачи на нахождение значения энтропии и свободной энергии Гиббса и делают выводы о принципиальной возможности самопроизвольного протекания химических процессов.
Для проведения семинара по компьютерной методике были использованы компьютерные обучающие программы, разработанные коллективом кафедры общей химии Химического факультета МГУ [115]. Они представляют собой универсальное инвариантное средство, сочетающее в себе возможность использования диалога, банка данных, текстовой информации, проведения расчетов и тестового контроля. В программах чередуется листовой материал с поэтапным контролем знаний обучаемого. Они построены в режиме диалога, что позволяет осуществлять эффективную обратную связь в обучении и своевременно вносить коррекцию в формируемые у обучаемых химические знания. Студент самостоятельно работает с программами, следовательно, сам контролирует процесс собственного обучения и определяет удобный для себя темп усвоения материала.
