Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных тенденций методической подготовки учителя химии при изучении курса «Неорганическая химия элементов» в высшей школе 12
1.1. Теоретические основы отбора содержания неорганической химии элементов в педагогическом вузе 12
1.1.1. Системный подход к отбору содержания 12
1.1.2. Деятельностный подход к обучению учителей химии 20
1.2. Принципы отбора содержания 23
1.3. Критерии отбора содержания обучения 29
1.4. Компетентность выпускников педагогического вуза 33
1.5. Анализ вузовских учебников и пособий по неорганической химии 40
1.6. Пособия для самостоятельного углубленного изучения химии 48
1.7. Профессионально-педагогическая направленность курса общей и неорганической химии в педвузах 52
1.8. Структура курса неорганической химии 55
Глава 2. Методическая модель процесса обучения химии элементов в педагогическом вузе на основе выделения инвариантов 61
2.1. Концептуальные положения и модель формирования обобщенного умения характеризовать вещества 61
2.2. Инвариантный, субинвариантный и вариативные характеристики элемента 72
2.3. Инвариантный, субинвариантный и вариативные характеристики неорганического вещества вещества 75
2.4. Методический комплекс средств обучения для формирования обобщенного умения характеризовать вещество и его свойства 94
2.5. Система организации познавательной деятельности студентов по формированию обобщенного умения характеризовать вещество и его свойства 97
Глава 3. Экспериментальная проверка эффективности методической системы изучения химии элементов на основе выделения инвариантов 115
3.1. Констатирующий эксперимент и его результаты 115
3.2. Поисковый этап экспериментального исследования и его результаты 122
3.3. Формирующий этап экспериментального исследования и его результаты 127
3.4. Заключительный этап экспериментального исследования 131
Заключение 133
Литература 136
Приложения 165
- Теоретические основы отбора содержания неорганической химии элементов в педагогическом вузе
- Концептуальные положения и модель формирования обобщенного умения характеризовать вещества
- Констатирующий эксперимент и его результаты
Введение к работе
В педагогическом вузе неорганическая химия, наряду с органической химией является одной из ведущих предметных дисциплин. Именно неорганическую и органическую химию будут преподавать учителя в дальнейшей, профессиональной деятельности. В результате ее изучения у выпускников педагогического вуза должны быть сформированы системно организованные представления о неорганических веществах и химических процессах с их участием, научное и методическое осмысление, являющиеся основой успешной профессиональной деятельности и дальнейшего самообразования.
Сложившаяся практика изучения неорганической химии в педагогических вузах в своей исходной основе базировалась на практике изучения неорганической химии в университетах середины прошлого века и по настоящий момент сохранила многие ее черты:
- вспомогательный характер, несамостоятельность неорганической химии, как следствие того, что в университетах курс неорганической, и чаще общей химии, включается в учебные планы как дисциплина, целью которой является обеспечение прочного фундамента теоретических знаний по общей химии и обзор химии элементов, то есть создание базы для успешного изучения других химических дисциплин (аналитической, физической, коллоидной, органической химии, дисциплин специализации). В связи с этим ее изучение
5 укладывается по времени в зависимости от специальности в первые семестры учебного процесса, далее ее содержание не углубляется за счет изучения других дисциплин, а к моменту окончания вуза слабо организованные фактологические знания практически полностью забываются;
описательность химии элементов как следствие непреодоленного до конца разрыва между двумя ее разделами - общей химией и химией элементов. Несмотря на то, что к настоящему времени раздел общей химии в университетских курсах усилиями ученых, методистов, педагогов высшей школы - авторов многих современных учебников по общей химии и теорий изучения химии в высшей школе изложен весьма последовательно и системно, теоретические знания, полученные студентами при изучении этого раздела, используются недостаточно эффективно. В связи с этим, степень использования прогностических возможностей теоретических знаний для предсказания физических и, тем более, химических свойств неорганических веществ недостаточна;
статичность, отсутствие динамики и, следовательно, низкая степень прогностичности, обособленность (фрагментарность) химии элементов. В основе содержания неорганической химии элементов в педвузах до конца не изжита идея Л. Майера - фиксация того, что есть на настоящий момент. Слабо организованные знания во многом напоминают калейдоскоп, с его постоянным изменением картинок, тогда как они должны организовываться по «мозаичному» типу. Мозаику всегда можно достроить, встроить в неё новые элементы, если общая система построения картины понятна. Студенты не получают системного представления о химии элементов в целом. Результат такого обучения - фрагментарные знания. Как следствие, содержание неорганической химии элементов ориентировано на заучивание. Его лишь в небольшой степени можно использовать для формирования
6 значительно более важных компонентов обучения: познания, развития, воспитания; - подмена целей изучения содержания. В связи с отсутствием профессионального контекста цель изучения содержания -формирование компетентного учителя химии подменяется другой -изучением содержания дисциплины. Превращение изучения содержания обучения в самоцель обучения приводит к резкому снижению учебной мотивации. Конечная цель обучения - стать компетентным, высокообразованным специалистом, подменяется индивидуальными частными целями студентов.
Основная проблема исследования заключается в формальном характере знаний химии элементов студентами педагогических вузов. Традиционное содержание обучения и формы его представления, организационные формы и методы, используемые при изучении курса химии элементов, не способствуют формированию системных представлений о химии элементов у будущих учителей.
Предлагаемое нами решение данной проблемы лежит в разработке подхода к изучению химии элементов, в основе которого лежит использование сочетания фундаментализации и профессионализации изучения химии элементов. Фундаментализация заключается в более глубоком, системном использовании теоретических положений курса общей химии (системы теорий, законов, понятий) как основы изучения химии элементов. Наложение профессионального контекста состоит в придании в педагогическом вузе большего значения классам соединений, изучаемых в школьном курсе химии, идее о генетической связи классов неорганических соединений. Используя идеи фундаментализации и профессионализации, можно выделить инварианты, субинварианты, вариативные элементы содержания обучения и положить их в основу изучения неорганической химии элементов в педагогическом вузе.
7 Актуальность исследования определяется:
необходимостью устранения противоречия между поставленной обществом задачей подготовки компетентного учителя химии и недостаточной изученностью проблемы формирования системных знаний по неорганической химии элементов у студентов педагогических вузов;
появлением объективной возможности разрешения противоречия, благодаря исследованиям методологов, психологов, дидактов, методистов;
готовностью педагогических вузов к внедрению методических систем, эффективных в условиях модернизации российского образования.
Цель исследования заключается в перестройке обучения студентов неорганической химии для усиления ее профессионально-педагогической направленности.
Объект исследования: процесс профессиональной подготовки будущих учителей химии в вузе.
Предмет исследования: обучение неорганической химии студентов химико-педагогических специальностей вузов.
Определение цели и предмета исследования позволили определить рабочую гипотезу.
Гипотеза - усиление профессиональной направленности изучения неорганической химии в педвузе может быть достигнуто через усиление фундаментализации, системности и поэтапности формирования обобщенных умений характеризовать вещества.
Задачи исследования:
- провести анализ химической, психолого-педагогической и
методической литературы по проблеме исследования;
- уточнить состав инвариантной характеристики вещества различных
классов неорганических веществ;
- на основе учета профессионального контекста определить структуру
субинвариантов характеристики вещества и его свойств и отобрать
вариативное содержание обучения химии элементов;
- разработать модель обучения будущего учителя неорганической
химии на основе выделения инвариантов, субинвариантов и вариативных
элементов;
- разработать и реализовать пути формирования у студентов
обобщенных умений характеризовать вещество в связи с химическими
процессами;
- подобрать адекватные методы контроля и приемы диагностики,
позволяющие выявить результативность предложенной методики;
- проверить экспериментально эффективность предложенной
методики.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
Теоретические: анализ и обобщение философской, психолого-педагогической, методической, химической, учебной литературы; моделирование; системно-структурный, контекстный подходы; изучение передового опыта и его рефлексивный анализ.
Экспериментальные: поисковый и формирующий педагогический эксперимент; наблюдение за результатами обучения; беседы; анкетирование студентов, преподавателей; анализ результатов диагностирующих срезов (компонентный анализ химических знаний и умений); математические и графические методы обработки сведений материалов исследования. Экспериментальная работа проходила в несколько этапов: 1 этап - констатирующий. Заключался в анализе философской, психолого-педагогической, методической и учебной литературы по проблеме исследования. Определение цели, идеи, предмета и задач исследования, обоснование рабочей гипотезы. Анализ вузовских учебников по проблеме
9 исследования. Проведение констатирующего исследования по определению степени готовности системно характеризовать химический элемент, неорганическое вещество и их свойства выпускниками средних школ, будущими учителями химии и учителями-практиками.
2 этап - поисковый. Создание теоретической модели целенаправленной подготовки будущего учителя химии к профессиональной деятельности на основе выделения инвариантов, субинвариантов и вариативных элементов при изучении неорганической химии. Экспериментальная проверка действенности модели, ее корректировка.
этап - экспериментальный. Проведение формирующего этапа педагогического эксперимента в соответствии с разработанной моделью.
этап - заключительный. Анализ и обобщение результатов педагогического исследования. Разработка методических рекомендаций для внедрения в практику подготовки учителей химии в вузах.
Эксперимент проводился на базе ЛГПУ (Липецк), ВГПУ (Воронеж), ВГУ (Воронеж), ВГПУ (Вологда), ТГПУ (Тула), Липецкого института развития образования (ЛИРО).
Научная новизна работы: разработана оригинальная система изучения неорганических веществ и связанных с ним химических процессов для обучения студентов педвузов неорганической химии, ориентированной на профессию учителя; выделены инвариант, субинвариант и вариативные элементы методической системы, способствующей формированию у студентов обобщенных знаний, необходимых в работе учителя.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что построенная целостная методическая система обучения студентов характеристике вещества и связанных с ним химических процессов может служить основой формирования химических знаний не только по неорганической химии, но и по другим химическим дисциплинам.
Практическая значимость исследования состоит в том, что создана система учебных пособий, дидактических материалов, методических
разработок, материалов для самостоятельной работы студентов, посвященных методике формирования профессионально значимых обобщенных знаний по неорганической химии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная методическая система способствует
упорядоченности и профессиональной направленности деятельности
студентов при обучении неорганической химии.
2. Выделение инвариантов, субинвариантов и вариативных элементов
способствует формированию обобщенных знаний о веществах и их
свойствах.
Апробация и внедрение результатов работы. Материалы исследования представлены в докладах на Ш-й и IV-й региональных научно-практических конференциях «Проблемы преподавания дисциплин естественно-математического цикла» (Липецк, 2000, 2001), на 48 Герценовских чтениях «Актуальные проблемы современного химико-педагогического и химического образования» (СПб, 2001), на 49-й, 50-й, 52-й Всероссийских научно-практических конференциях химиков-педагогов с международным участием (СПб, 2002, 2003, 2005), на VII региональной научно-практической конференции «Проблемы повышения учебно-воспитательного процесса в высшей и средней школе» (Лебедянь, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития химического образования» (Иркутск, 2002), на IV симпозиуме стран Центральной и Восточной Европы JOSTE «Роль естественнонаучного образования в свете социальных и экономических перемен в странах Центральной и Восточной Европы» (Курск, 2003), на Всероссийском методическом семинаре (Москва, 2005), на конференциях по итогам научно-исследовательской работы преподавателей и студентов (Липецк, 1999-2005).
В период работы над диссертацией по теме исследования опубликованы 23 печатные работы. Основные из них приведены в списке литературы [4-7, 155-168, 251, 262, 263].
Разработанные методические материалы и методика обучения апробированы в Липецком, Челябинском и Тульском государственных педагогических университетах, внедрены в практику изучения химии элементов в этих вузах.
Автор благодарит доцента кафедры химии Липецкого государственного педагогического университета, кандидата химических наук В.М. Шабаршина, который принимал активное участие в проведенном исследовании на всех его этапах.
Теоретические основы отбора содержания неорганической химии элементов в педагогическом вузе
Известно, что содержание образования характеризуется как многоуровневая педагогическая модель социального заказа, составляющая содержательную сторону обучения, и представляет собой систему, развернутую в двух планах: по уровням формирования содержания и по характеристикам любой системы, т.е. по составу, функциям и структуре [98].
Модернизация системы российского образования, переход от знаниевого подхода к компетентностному привел к необходимости включения в содержание изучаемых химических дисциплин, кроме системы знаний, умений и навыков, также и умения опыта практического применения этой системы в профессиональной учительской деятельности.
Отбор содержания любого учебного предмета, в том числе и химии, основывается на реализации различных педагогических концепций и подходов к отбору и построению содержания учебного предмета.
В практике изучения химии активно применяются: ассоциативно-рефлекторная концепция обучения, теория поэтапного формирования умственных действий, теория проблемного обучения, концепция личностного и проблемно-деятельностного обучения, концепция развивающего обучения, концепция программированного обучения, теория контекстного обучения, системный, системно-структурный, системно-генетический, модульный подходы.
Теоретическому и прикладному аспекту отбора содержания на примере изучения общей химии в вузе, его системности и инвариантности посвящены работы О.С. Зайцева, Л.Я. Зориной, Т.А. Сергеевой, Е.М. Соколовской, В.В.
Сорокина, Н.Ф. Талызиной [70-72, 75, 83, 84,186,188, 196, 197, 198-202,213-216]. О.С. Зайцев выдвинул идею удаления несвязывающего материала и переструктурирования курсов вузовской химии и общей химии на основе идеи о паритетности координации четырёх базовых блоков содержания: учения о строении, учения о термодинамике, учения о кинетике и учения о периодичности [72, 75]. Фактически это инвариант изучения химии на макроуровне. Здравая по замыслу идея до сих пор не получила в учебной литературе адекватного воплощения. На наш взгляд, это связано с тем, что самое простое, «очевидно» напрашивающееся решение - изложить все четыре блока равными долями (в равных объемах) в курсе общей и неорганической химии первого семестра не оптимально. Так как у первокурсников, особенно студентов педвузов, необходимые математические умения формируются гораздо позже, то элементы содержания блока учения о кинетике более целесообразно вводить постепенно.
Идея О.С. Зайцева о четырехстороннем рассмотрении химического объекта не противоречит подходам изложения неорганической химии на основе периодической системы Д.И. Менделеева и концептуальных систем химии, эволюции уровней организации вещества. Они взаимно дополняют друг друга.
Поскольку каждый системный подход имеет и преимущества и недостатки, на практике необходимо использовать их одновременно. «Различные системные подходы - это как бы срезы в единой системе обучения, сделанные под разными углами. Для формирования творческого химического мышления следует выбрать такой срез, который бы в наибольшей мере охватывал преимущества всех подходов и наиболее полно отвечал целям обучения» [72, С. 49-54].
Углублением положений системно-структурного подхода является идея структурирования учебного предмета и его важнейших систем знаний и сжатия содержания за счет выделения инвариантной структуры -инварианта.
Инвариантность - понятие, пришедшее из математики. Оно обычно рассматривается как неизменность какой-либо величины, ее независимость от физических условий и по отношению к тем или иным преобразованиям [25].
Идеи инвариантности плодотворно используются в современной дидактике и методике. Так, например, в частности, еще Н.Ф. Талызина предлагала в каждом учебном предмете выделять некоторые инварианты и представлять все частные явления как проявление этих инвариантов [214]. В основу идеи об инвариантности Н.Ф. Талызина положила принципы системного подхода и методы системного анализа содержания учебного предмета и его построения, ранее предложенные З.А. Решетовой [178]. В дальнейшем, идеи инвариантности были развиты С.С. Епифановой, Н.Е. Кузнецовой, Е.Е. Минченковым, О.С. Зайцевым, Т.А. Сергеевой, В.В. Сорокиным, Г.М. Чернобельской, В.А. Яблоковым, и др. [66, 70-72, 75, 106, 129, 131, 132, 186, 199-202, 248, 273]. На основе идеи инвариантности Т.А. Сергеевой была предложена экспериментальная программа по курсу общей химии, позволяющая формировать системный тип ориентировки в явлениях окружающей действительности [186]. Отмечалось, что "теоретическое мышление - форма отражения действительности, она отражает вещь как систему, ее инвариант (структуру), возможные варианты ее существования и законы (пределы устойчивости), порождение существенных свойств структуры ее внутренним строением" [177]. Таким образом, З.А. Решетова и Т.А. Сергеева, по сути дела, отождествляли понятия "инвариант" и "структура системы".
Концептуальные положения и модель формирования обобщенного умения характеризовать вещества
Этапы проектирования модели методической системы Разработанная нами модель методической системы обучения химии элементов в педвузе приведена на рис. 2. В основу модели процесса обучения химии элементов в педагогическом вузе на основе выделения инвариантов химии элементов положены следующие теоретико-методологические положения: Содержание курса неорганической химии элементов отбирается с учетом трех логик:
- логики химии как фундаментальной науки, что приводит к требованию фундаментализации, повышения уровня научности, глубины и системности как для содержания теоретического материала, так и для содержания химического эксперимента;
- логики усвоения и забывания содержания обучения, ограничивающей скорость усвоения содержания личностными возможностями студентов, реальной материально-технической базой большинства вузов России, накладывающей ограничения на объем изучаемого содержания и требующей регулярного систематического повторения, поэтапного развития и закрепления основных элементов содержания;
- логики будущей профессиональной деятельности, ведущей:
- к необходимости уделять большее внимание элементам, веществам, классам веществ, химическим реакциям, изучаемым в школе;
- требованию усвоения этого ядра содержания на высоком уровне;
- введению в содержание обучения элементов будущей профессиональной деятельности.
? Основные подходы, лежащие в основе модели - системно-структурный и контекстный. В соответствии с положениями системно-структурного подхода характеристика описания неорганических веществ и связанных с ними свойств представляет собой целостную совокупность элементов, находящихся между собой в определенной зависимости и составляющих определенную иерархическую структуру. Следовательно, и обобщенное умение характеризовать вещества и связанные с ними свойства является сложной иерархической системой. Использование идей контекстного подхода означает, что в результате обучения будущие учителя химии должны освоить обобщенное умение, которое позволит успешно характеризовать вещества и их свойства не только на материале вузовского содержания химии, но и при работе в школе.
? Разработанная нами методическая система опирается на ряд дидактических принципов, из которых ведущими являются принципы системности, фундаментализации, профессионализации, систематичности, наглядности и успешности.
Важнейшим условием системности обучения является выделение в содержании изучения химии элементов неизменяемого инвариантного ядра,
Условиями фундаментализации содержания обучения химии элементов являются:
- повышение уровня системности знаний о веществах и их свойствах на основе выделения инвариантов описания химического элемента, простых и сложных веществ;
- опора на материал теорий, законов, закономерностей курса общей химии при описании фактологической химии элементов;
- интеграция теоретического содержания аналитической и физической химии в содержание неорганической химии и неорганического синтеза.
Принцип профессионализации означает, что, формируя обобщенное умение характеризовать вещество и его свойства, преподаватель вуза должен учитывать не только ближние цели - изучение и освоение содержания вузовского курса химии элементов, но и ведущие цели обучения, в том числе формирование достаточной компетентности выпускника вуза в области химии элементов; обеспечить освоение будущими учителями системы знаний о веществах и их свойствах, в том числе о веществах, изучаемых в школе, и освоение умения характеризовать вещества и их свойства, которые выпускники смогут использовать при работе в школе.
Учет принципа систематичности означает, что на всех этапах организации процесса обучения преподаватель должен в качестве одной из учебных целей ставить «продолжение формирования умения характеризовать вещество и его свойства» и организовывать деятельность по достижению этой цели. Эта цель должна ставиться как при линейном изучении блоков курса общей химии, таких как «Строение вещества», Термодинамика химических процессов», «Кислотно-основные равновесия в растворах» и т.д., так и при интеграции блоковых знаний и умений в теме «Важнейшие классы неорганических соединений» и при изучении химии элементов.
Констатирующий эксперимент и его результаты
На этом этапе было проведено констатирующее исследование по определению степени готовности системно характеризовать химический элемент, неорганическое вещество и их свойства выпускниками средних школ, будущими учителями химии и учителями-практиками. Время эксперимента - период с 2000-2003 гг.
На всех этапах эксперимента после проведения контрольных работ мы рассчитывали коэффициент усвоения (равнозначный коэффициенту сформированности умения) как отношение суммы числа правильно выполненных суждений, оценочных действий, прогнозов, правильно написанных уравнений и т.д. к теоретически возможному суммарному числу правильных ответов по каждому элементу характеристики вещества и его свойств.
В соответствии с целью эксперимента мы провели контрольную работу, которая должна была выявить степень сформированности обобщенного умения характеризовать неорганические вещества и их свойства у:
1) первокурсников, поступивших в институт на отделения «Химии и биологии» и «Биологии и химии» (47 человек);
2) липецких учителей, слушателей курсов повышения квалификации (32 челеловека);
3) студентов первого, третьего и пятого курсов, учившихся по традиционной методике (64 человека).
Учителям во время занятий в Липецком институте усовершенствования учителей и студентам-первокурсникам на учебных занятиях во время теста предварительной диагностики (сентябрь, первый семестр) было предложено системно охарактеризовать серную кислоту и безводный сульфат меди. Никаких справочных и опорных материалов и учащимся и учителям не предлагалось. Обе категории тестируемых с задачей не справились. Ответы, как студентов, так и учителей были бессистемны, хаотичны. Даже учителя смогли предложить лишь по 2-3 уравнения, характеризующих свойства соли (осаждение сульфата, образование осадка гидроксида, вытеснение меди). Описание серной кислоты, ее физических и химических свойств и у учителей, и у студентов представляло собой бессистемный набор стехиометриче-ских формул, отдельных физических свойств без указания диапазона их измерения, нескольких уравнений реакции, как правило, реакций обмена, окисления металлов и вытеснения слабых, летучих кислот из растворов соответствующих солей.
В период проведения констатирующего эксперимента в ЛГГТУ одновременно действовало несколько учебных планов, по одному из них химия элементов изучалась во втором семестре первого курса, по другому - в шестом семестре третьего курса. Тестирование студентов Липецкого госпедуни-верситета (весна, середина изучения химии элементов), обучающихся на первом и третьем курсах, проходило в виде фронтальной контрольной работы. Студентам было предложено 8 вариантов по 4 задания в каждом на характеристику следующих веществ: оксида элемента, гидрида неметалла, ок-сокислоты и оксосоли. При обработке результатов характеристика вещества и его свойств была разбита на три основных блока: 1) блок «Строение», включающий:
- умение построить графические формулы молекул;
- умение определить тип гибридизации;
- умение определить степень полярности молекул;
2) блок «Физические свойства», включающий проверку умений:
- определить тип агрегатного состояния при нормальных условиях;
- оценка температур плавления и кипения;
- наличие или отсутствие окраски;
- наличие или отсутствие запаха;
- цвет раствора;
- качественная оценка растворимости в полярных растворителях;
- качественная оценка теплопроводности вещества при н.у.;
- качественная оценка электропроводности вещества при н.у.;
3) химические свойства, разделенные на пять подразделов:
- интегральная устойчивость к нагреванию (термодинамическая и кинетическая);
- окислительно-восстановительные свойства;
- кислотно-основные свойства;
- разновидность кислотно-основных свойств - вытеснительные свойства;
- разновидность кислотно-основных свойств -осадительные свойства.
Первокурсники в среднем дали 22 % правильных ответов, студенты третьего курса - 17 %.
