Развитие эвристических способностей учащихся при обучении
advertisement
ОПИСАНИЕ ОПЫТА ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ «РАЗВИТИЕ ЭВРИСТИЧЕСКИХ СПОСОБНОСТЕЙ УЧАЩИХСЯ ПРИ ОБУЧЕНИИ ХИМИИ» Т.А. Колевич, кандидат химических наук, учитель химии ГУО «Лицей Белорусского государственного университета» Настоящая работа является обобщением многолетнего опыта преподавания химии в Государственном учреждении образования «Лицей БГУ». Данные материалы легли в основу описания опыта педагогической деятельности при сдаче автором квалификационного экзамена на присвоение квалификационной категории «учитель-методист». Необходимость такого обобщения вызвана требованиями современной педагогики, одной из важнейших задач которой является воспитание личности, не просто владеющей определенной суммой знаний, но и способной создавать новое знание. Наиболее оптимальной деятельностью, в процессе которой развиваются продуктивные способы мышления, умения достигать цели и получать результат, является эвристическая деятельность. Эвристика как наука о создании нового (от древнегреч. , лат. evrica – отыскиваю, нахожу, открываю) способна научить человека созидать. Целью деятельности учителя является развитие у учащихся эвристических способностей при изучении химии через совершенствование креативных, когнитивных и оргдеятельностных качеств личности. Идея опыта: показать, что оптимально подобранные составляющие учебного процесса по химии (эвристическая деятельность на уроке, практические задания, элементы информационно-коммуникационных технологий, внеклассные формы работы) позволяют развивать эвристические способности учащихся. Задачи реализации опыта: определить необходимые выпускнику школы эвристические способности, которые можно развивать при изучении химии; определить составляющие образовательного процесса, необходимые для развития эвристических способностей; апробировать эффективность использования выбранных составляющих образовательного процесса для развития эвристических способностей учащихся; оценить эффективность использованных методов. Сущность опыта Эвристические способности невозможно охарактеризовать кратким набором определенных качеств личности. По мнению А.П. Хуторского, они являются триединством таких сущностей человека, как когнитивность, креативность и оргдеятельность [1]. Креативность – способность к творческой деятельности: изобретательность, оригинальность, фантазия, интуиция и т.д. Креативность не является единственной способностью, обеспечивающей эвристическую образовательную деятельность. Процесс творчества неизбежно сопровождается процессом познания, поэтому вместе с креативной деятельностью осуществляется когнитивная. Когнитивные способности – способности к познанию окружающей действительности. Они определяются физическими, интеллектуальными качествами человека, его культурой и другими факторами. Для успешной реализации креативных и когнитивных способностей учащихся необходима организационно-методологическая деятельность, осуществляемая на основе соответствующих, то есть оргдеятельностных способностей, к которым относятся целеустремленность, самодисциплина, целеполагание, рефлексивность, способность взаимодействовать с другими субъектами образования и т.д. Перечисленные группы способностей учащихся являются открытыми 1 для расширения и уточнения. В то же время эти группы представляют минимальный набор ориентиров для обеспечения всестороннего образовательного процесса. Так, например, ориентация на развитие только креативных способностей затруднит общее образовательное движение ученика, поскольку без сформированной организационной основы его творчество останется спонтанным и неоформленным. Таким образом, развитие эвристических способностей предполагает совершенствование всех компонентов: креативных, когнитивных и оргдеятельностных качеств личности учащегося; требует многоплановой работы, которая включает создание фундаментальной базы знаний (когнитивный компонент), умений оперировать ими (оргдеятельностный компонент) и, наконец, умений создавать новый образовательный продукт (креативный компонент). Широкие возможности развития эвристических способностей учащихся предоставляются учителю химии при изучении учебного предмета на повышенном уровне. Изучение химии на повышенном уровне в учреждениях общего среднего образования Республики Беларусь осуществляется только в классах химико-биологического направления. С 1992 года по 2008 год в Лицее БГУ химия преподавалась в специализированном химическом классе, именно с этим периодом связаны наиболее значимые «химические» успехи наших выпускников. Например, в течение 5 лет (1999–2003 гг.) из четырех участников команды Республики Беларусь на Международной олимпиаде по химии трое являлись лицеистами, и все они стали победителями! На заключительном этапе республиканской олимпиады по химии учащиеся Лицея БГУ ежегодно завоевывали до 12 дипломов. Начиная с 2013 года мы вернулись к изучению химии в классе химикоматематического направления в рамках эксперимента, проводимого на основании приказа Министерства образования Республики Беларусь № 647 от 31 июля 2013 г., для осуществления которого разработаны 2 экспериментальный учебный план и экспериментальная программа по химии, утвержденные Министерством образования. Многолетний опыт преподавания химии позволил выделить основные компоненты образовательной деятельности, особенно актуальные для развития эвристических способностей учащихся. 1. Эвристическая деятельность на уроке при изучении нового материала. 2. Практические задания (расчетные задачи, задания на химические превращения, экспериментальные задания). 3. Элементы информационно-коммуникационных технологий. 4. Внеклассные формы работы (факультативные занятия, химические олимпиады и конференции). Все эти элементы образовательного процесса, за исключением, пожалуй, четвертого (химические олимпиады и конференции), успешно используются при обучении в классах всех направлений. Описание опыта Развитие когнитивных способностей учащихся. Когнитивные способности включают широкий спектр личностных качеств, которые определяют возможность познания окружающей действительности. Развитие когнитивных способностей учащихся при обучении любому учебному предмету невозможно без обеспечения высокого качества учебного процесса. Основа учебного процесса – урок, поэтому разработка учебного материала, предъявляемого на уроке, является первостепенной задачей. В ходе многолетней работы были созданы учебно-методические материалы для старшей ступени общего среднего образования, которые наряду с имеющимися учебными пособиями используются при обучении химии [2–7]. Учебно-методические материалы, разработанные для сопровождения образовательного процесса по химии, включают инвариантную часть программного материала, много дополнительной интересной информации, 3 вопросы к тексту, практические задания и расчетные задачи. При этом наряду с важнейшими дидактическими принципами (научности, доступности, наглядности и т.д.) с целью повышения информативности предъявляемого содержания, т.е. усиления когнитивной составляющей, были максимально задействованы межпредметные связи. Например, при изучении темы «Номенклатура органических соединений» (приложение 1) [8] в классах филологического направления мною предложено использовать межпредметную связь принципов словообразования с основами теории строения молекул органических соединений. Такой подход к изучению нового и довольно сложного материала неизменно вызывает большой интерес учащихся, их высокую активность на уроке и дает положительные результаты. Предложенная структура урока продуктивна для его проведения не только в филологических классах, но и в классах с изучением химии на повышенном уровне, так как теоретическая часть урока является инвариантом, актуальным для всех учащихся. Совершенствование образовательного процесса с целью развития когнитивных способностей учащихся невозможно без использования электронных средств обучения. Современная молодежь уже неотделима от компьютера, сети Интернет, мобильных коммуникационных устройств, поэтому актуальным является создание электронных образовательных ресурсов, включающих справочно-информационные, контрольно- измерительные, научно-популярные и др. Использование на уроках презентаций, иллюстрирующих изучаемый материал, стало обычным явлением, этому способствует также оснащение большого количества классов, в том числе кабинетов химии, мультимедийной техникой и доступом в Интернет через сеть Wi-Fi. В приложении 2 приводится перечень электронных ресурсов, используемых мною на уроках химии. Одним из актуальных направлений развития образования является создание электронных учебников. В 2013 году пособие по органической 4 химии, созданное при моем непосредственном участии и изданное на бумажном носителе, было размещено на портале padruchnik.by в современном формате электронных книг epub [9]. В отличие от других форматов электронных книг формат epub совместим с большинством современных мобильных устройств и позволяет включать интерактивные компоненты (подкасты, анимации, тесты и т.д.). Дальнейшее развитие этого направления позволит в будущем создавать кроссплатформенный образовательный контент для планшетных устройств, имеющихся сейчас практически у каждого школьника. Развитие оргдеятельностных (методологических) способностей. Оргдеятельностные способности личности проявляются при организации образовательной деятельности ученика в двух других ее аспектах – познании и творчестве. Они включают знание своих индивидуальных особенностей; осознание целей деятельности; целеустремленность; упорство в доведении дела до конца; навыки самоорганизации; коммуникативность; умение организовать «мозговой штурм» и участвовать в нем; умения сравнивать и сопоставлять идеи, вести спор и дискуссию. Развитие планомерную оргдеятельностных работу, способностей заключающуюся в представляет формировании собой навыков постоянного самосовершенствования. Личность учителя имеет в этой работе особое значение, так как систематическая работа учащегося по учебному предмету практически всегда требует организации и контроля. В противном случае даже самые талантливые учащиеся, «пущенные на самотек», как правило, не развивают должным образом свои способности и постепенно деградируют (иногда это происходит уже в вузе). На развитие оргдеятельностных способностей личности направлены, в первую очередь, содержание, структура и системность учебного материала, а также постоянная практическая деятельность по выполнению конкретных учебных заданий по предмету с систематическим контролем. Систематичность практической деятельности по предмету 5 обеспечивается использованием значительного количества задачников, в том числе авторских [10], а также электронных ресурсов, размещенных на образовательном портале Лицея БГУ e-lyceum.by. Портал создан на базе платформы Moodle, содержит значительное количество учебного материала, в том числе контролирующего характера, и предоставляет возможность дистанционного контроля за выполнением задания каждым учеником. В последние годы я начала использовать на уроках электронную систему голосования ActiveVote, позволяющую проводить экспресс-опрос практически на каждом уроке. Теперь, обращаясь к классу с вопросом, вместо ответа одного ученика можно видеть на экране ответы каждого и оценить работу каждого ученика на каждом уроке. Развитие креативных способностей учащихся. Креативные способности обеспечивают условия создания учеником собственного образовательного продукта. Креативным личностям присущи такие качества, как образно-эмоциональные (образность, ассоциативность, воображение, чувство новизны, склонность к творческому сомнению), инициативность, изобретательность, нестандартность, способность к генерации идей, раскованность мыслей, независимость, наличие опыта реализации своих творческих способностей (участие в олимпиадах и творческих конкурсах). Развитие этих качеств учащихся накладывает высокие требования к личности педагога, который также должен обладать вышеперечисленными способностями и в придачу к ним – достаточно большим багажом знаний. Разработка урока, направленного на развитие креативных способностей учащихся, предполагает создание проблемной ситуации, решение которой осуществляется силами самих учащихся при минимальном вмешательстве учителя. В учебно-методических материалах, разработанных для учащихся Лицея БГУ, учебный материал во многих случаях подается как средство решения определенной проблемы. Например, в ходе изучения темы «Строение атома. Д.И. Менделеева» Периодический учащиеся закон должны, ни и периодическая много ни мало, система открыть 6 периодический закон. [2, § 9–12]. Именно в таком ключе строятся уроки при изучении данного раздела. При этом подчеркивается, что открытие периодического закона невозможно сделать без предварительно сформированных умений и навыков по теме «Строение атома». То есть проявление креативности невозможно без определенных когнитивных составляющих – умений писать электронные схемы строения атома и др. В итоге каждый ученик может почувствовать себя Менделеевым. Еще один пример: при изучении методов решения расчетных задач на вывод формул органических соединений учащимся можно предложить отправиться в путешествие в XIX век и совершать открытия новых веществ вместе с химиками того времени [3, § 8]. Разработанные при моем участии пособия для факультативных занятий даже при ознакомлении с оглавлением показывают, что читателя ждет множество открытий. Названия параграфов пособий используются на уроках как вопросы проблемных ситуаций [4–7] (приложение 3). Другим приемом развития креативных способностей является подбор заданий, содержание которых требует не только знаний химии, но и хорошо развитого интуитивного мышления. В приложении 4 приводится пример задачи на установление первичной структуры пентапептида. Эта задача, как правило, вызывает большой интерес у будущих математиков, поскольку решение ее включает использование элементов комбинаторики. Наиболее ярко креативные способности учащихся проявляются во время участия в олимпиадах. Несмотря на то, что Лицей БГУ направляет команду сразу же на третий и четвертый этапы республиканской олимпиады, этому предшествует большая подготовительная работа. Один из важнейших этапов подготовки к республиканской олимпиаде – заочная круглогодичная олимпиада Лицея БГУ по химии. Олимпиада включает несколько туров (ежегодно 7–8), каждый тур содержит 5–6 задач. Тексты заданий раздаются всем желающим и размещаются на сайте Лицея. Оговаривается срок сдачи решений, как правило, это примерно 7 1–2 недели. Периодически проводятся очные туры. Опыт проведения заочной олимпиады обобщен в публикациях [11–17]. Еще одна форма олимпиадной деятельности, в которой активно участвуют лицеисты, – дистанционные олимпиады. Начиная с 2001 года лицеисты принимают активное участие в Российской дистанционной химической олимпиаде, проводимой Российским химико-технологическим университетом имени Д.И. Менделеева (olimp.distant.ru). Поскольку олимпиада дистанционная, срок выполнения заданий – месяц, я считаю своим долгом помочь ребятам решать довольно сложные и оригинальные задачи. Во время совместного обсуждения не раз происходят «озарения», позволяющие нам находить правильный ответ. Работа совместно с учащимися над решением сложной проблемы предполагает тесное сотрудничество учащегося и педагога, ведь, для того чтобы заинтересовать ученика, учитель также должен быть заинтересован в результатах образовательного процесса. Чтобы воспитать первооткрывателей, учитель тоже должен постоянно двигаться вперед, не бояться сложностей и проблем – ведь их можно решать вместе со своими учениками. Реализация принципа сотрудничества наиболее ярко проявляется при подготовке докладов на научно-практическую конференцию учащихся. Ежегодно лицейская научно-практическая конференция «Першы крок у навуку» проводится в первых числах февраля, когда празднуется День рождения Лицея. Главный принцип формирования тематики докладов на конференции – интерес для школьников. Это могут быть научно-популярные сообщения; освещение новейших научных достижений; обзор литературы по какой-либо интересной проблеме; нестандартный подход к решению сложной задачи; оригинальная трактовка противоречивого вопроса школьной программы; демонстрация эффектного химического опыта и его научное толкование; взгляд на специальную проблему из другой области знаний; наконец, результат собственных исследований. Слушатели секции химии нашей конференции воочию наблюдали легендарную реакцию 8 Белоусова – Жаботинского, свечение люминофоров, кольца Лизеганга, разложение взрывчатых веществ и еще много интересного. На конференции предлагались и трактовки не совсем понятных теоретических вопросов, например, вторичной периодичности, электролитических свойств гидроксидов, а также многое другое [18]. Доклад ученика XI химического класса, а ныне нашего учителя А.В. Кульши «f-Элементы в Периодической системе Д.И. Менделеева» оказался столь интересным, что по его материалам автором опубликована статья в журнале «Хiмiя: праблемы выкладання» [19]. Автор предложил сместить положение лантаноидов в периодической системе на один номер влево. Этот вариант таблицы стал общепринятым, выдержал множество изданий и получил известность в нашей стране и за ее пределами [20; 21]. В 2014 году доклад Андрея Новолаева «Вода, которую мы пьем», подготовленный под моим руководством и прошедший апробацию на лицейской конференции, был удостоен Диплома II степени XIII республиканского конкурса работ исследовательского характера (конференции) учащихся. Результативность и эффективность опыта Образовательная деятельность Лицея БГУ нацелена на обеспечение непрерывного образования наших выпускников. Успешность этой деятельности подтверждается практически стопроцентным поступлением в вузы и успешной учебой в них. В настоящем опыте мною проанализирована итоговая успеваемость выпускников химико-биологических классов, в которых я преподавала химию. Оценка результативности образовательной деятельности осуществлялась в соответствии со следующими критериями: 1) успеваемость по учебному предмету; 2) результаты вступительного испытания в вуз по учебному предмету; 3) результаты участия в интеллектуальных турнирах (олимпиады, научнопрактические конференции). Успеваемость и поступление в вузы 9 Выпуск 2012 года. Число учащихся в классе – 19. Сдавали ЦТ по химии – 16 человек. Средний балл ЦТ – 87,6, средний балл аттестата – 8,9. Выпускники, имевшие в аттестате отметки по химии V уровня, (12 человек) в среднем заработали на ЦТ 90,8 балла. Все они поступили в вузы, из них – 7 человек на бюджетные отделения медуниверситетов. Выпуск 2013 года. Число учащихся в классе – 19. Сдавали ЦТ по химии – 16 человек. Средний балл ЦТ – 77,1, средний балл аттестата – 8,9. Выпускники, имевшие в аттестате отметки по химии V уровня, (12 человек) в среднем заработали на ЦТ 82 балла, 11 человек поступили на бюджетные отделения медуниверситетов. Отмечу, что в этом классе я преподавала только один год, а в предыдущем – два года. Как видно, наблюдается хорошая корреляция между этими значениями, то есть учащиеся, получившие балл аттестата на уровне отметки V уровня, сдают централизованное тестирование, как правило, с результатом не ниже 80 баллов. Результаты участия в олимпиадах Педагогическая деятельность, элементы которой описаны в опыте, позволила многим учащимся нашего Лицея добиться высоких результатов на олимпиадах по химии. Мои ученики более 70 раз становились победителями заключительного этапа республиканской олимпиады, 20 раз – Менделеевской и 16 раз – Международной. Заключение Описанная в опыте педагогическая деятельность, направленная на развитие эвристических способностей учащихся, показала высокую эффективность, проявившуюся в высоких результатах учащихся, а также в формировании высокоинтеллектуальной среды нашего учебного заведения, предполагающую дальнейшее развитие имеющихся достижений. Литература 1. Хуторской, А.П. Дидактическая эвристика – теория развития одаренности учащихся / А.П. Хуторской // Технообраз 2007: Технологии 10 непрерывного педагогического образования и творческого саморазвития личности одаренных учащихся и студентов: тезисы докладов VI Междунар. науч. конф. – Гродно: ГрГУ, 2007. – С. 49–54. 2. Колевич, Т.А. Химия: пособие по общей и неорганической химии для учащихся лицея БГУ / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Изд. центр БГУ, 2007. – 232 с. 3. Колевич, Т.А. Органическая химия: пособие для учащихся / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис, И.Н. Варакса. – Минск: Изд. центр БГУ, 2014. – 231 с. 4. Колевич, Т.А. Продолжаем открывать тайны вещества: 9-й кл.: пособие для учащихся общеобразоват. учреждений / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2010. – 192 с.: ил. – (Химия. Факультативные занятия). 5. Колевич, Т.А. Продолжаем открывать тайны вещества: 9-й кл.: пособие для учителей общеобразоват. учреждений / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2010. – 32 с. – (Химия. Факультативные занятия). 6. Колевич, Т.А. Удивительный мир неорганической химии: 10-й кл.: пособие для учащихся общеобразоват. / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2010. – 216 с. – (Химия. Факультативные занятия). 7. Колевич, Т.А. Удивительный мир неорганической химии: 10-й кл.: пособие для учителей общеобразоват учреждений / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2010. – 56 с. – (Химия. Факультативные занятия). 8. Колевич, Т.А. Химическая номенклатура и филология / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2010. – Вып. 4. – С. 13–17. 11 9. Колевич, Т.А. Органическая химия: пособие для учащихся / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис, И.Н. Варакса. – Режим доступа: www.padruchnik.by. – Дата доступа: 05.03.2014. 10. Химия: пособие для поступающих в лицей БГУ / Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис, Т.А. Колевич, Е.В. Матулис. – 2-е изд., доп. – Минск: Аверсэв, 2013. – 398 с. 11. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии как новая форма внеклассной работы / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2000. – Вып. 6. – С. 114–127. 12. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. II тур / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2001. – Вып. 1. – С. 55–65. 13. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. III тур / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2001. – Вып. 2. – С. 98–105. 14. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. IV тур / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2001. – Вып. 4. – С. 108–117. 15. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. V тур / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2001. – Вып. 5. – С. 106–114. 16. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. VI тур / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2002. – Вып. 2. – С. 49–53. 17. Колевич, Т.А. Школьная заочная олимпиада по химии. VII тур / Т.А. Колевич, Ю.С. Головко // Хiмiя: праблемы выкладання. – 2003. – Вып. 5. – С. 41–46. 18. Колевич, Т.А. Научная конференция как средство активизации познавательной деятельности учащихся / Т.А. Колевич // Хiмiя: праблемы выкладання. – 1999. – Вып. 5. – С. 103–106. 12 19. Кульша, А.В. f-Элементы в Периодической системе Д.И. Менделеева / А.В. Кульша // Хiмiя: праблемы выкладання. – 1999. – Вып. 5. – С. 107–112. 20. Колевич, Т.А. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Таблица-справочник / Т.А. Колевич, А.В. Кульша. – 5-е изд. – Минск: ТетраСистемс, 2011. 21. Кульша, А.В. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева / А.В. Кульша, Т.А. Колевич. – Минск: ТетраСистемс, 2013. 13 Приложение 1 НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНОВ Дидактический сценарий урока по учебному предмету «Химия» в IХ классе Цель урока: ознакомить учащихся с правилами названия насыщенных углеводородов по систематической номенклатуре; сформировать первоначальные умения называть алканы по формулам и составлять структурные формулы алканов по их названиям. Задачи урока: обучающие: ознакомить учащихся с правилами номенклатуры органических соединений на примере номенклатуры алканов; выработать навыки составлять названия линейных и разветвленных алканов; записывать формулы алканов по их названиям; показать межпредметную связь правил номенклатуры органических соединений с принципами словообразования русского языка; развивающие: показать возможности формирования названий объектов, в принципе, любой сложности на основании логически построенной системы; показать взаимосвязь гуманитарных и естественнонаучных дисциплин через номенклатуру органических соединений; воспитательные: активизировать интерес учащихся к изучению химии через решение, на первый взгляд, невозможной задачи – назвать объект, имеющий достаточно сложное строение, и создать целую систему для достижения этой цели; 14 показать важность изучения всех учебных предметов для достижения успеха в познавательной деятельности. Тип урока: урок-исследование, предполагающий значительную степень сотрудничества учителя и учащихся. Формы деятельности учащихся: индивидуальная, фронтальная. Межпредметные связи: с уроками русского языка. Ход урока I. Организационно-психологический этап Ожидаемый результат: создание благоприятной эмоциональной обстановки, «погружение» учащихся в атмосферу урока. Деятельность учителя: создает доброжелательную атмосферу в классе, объясняет правила работы на уроке. Деятельность учащихся: настраиваются на работу, внутренне организуются. II. Ориентировочно-мотивационный этап Ожидаемые результаты: активизация ранее полученных знаний, умений и навыков, познавательного интереса учащихся, выделение и постановка темы урока и его целей. Деятельность учителя: рассмотрение домашнего задания предыдущего урока. Учитель проводит опрос. Вопросы: Сформулируйте понятия «изомерия», «изомеры». Напишите структурные формулы изомеров бутана и пентана. Напомните различие физических свойств изомеров бутана. Деятельность учащихся: индивидуальная, фронтальная. Один-два ученика пишут у доски формулы изомеров. Параллельно на экране учитель демонстрирует шаростержневые модели изомеров, выполненные в среде, например, Chem Office. Проверка знания понятий осуществляется в форме фронтального опроса. III. Операционно-познавательный этап 15 Ожидаемые результаты: приобретение учащимися знаний, умений и навыков в рамках изучаемой темы. Деятельность учителя: учитель излагает учащимся информацию об алканах, их значении и физических свойствах. Следует отметить, что в изучении материала, связанного с ранее пройденным, нужно активно вовлекать учащихся в его рассмотрение. Материалы для учителя Химическая номенклатура и филология Органическая химия – химия соединений углерода. В молекулах органических веществ атомы углерода, связанные между собой посредством ковалентных связей, могут образовывать линейные, разветвленные и циклические структуры, число которых, в принципе, неограниченно. Этим объясняется многообразие органических соединений, число которых намного больше, чем число известных неорганических веществ. Многие органические вещества имеют одинаковый состав, но разное строение молекул. Такие вещества называются изомерами. В случае алканов явление изомерии проявляется, начиная с четвертого представителя гомологического ряда – бутана, для которого существует два изомера: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH CH 3 CH 3 Пентан имеет три изомера, гептан – девять. Для алканов с большим числом атомов углерода в молекуле число изомеров огромно. Например, алканов состава С25Н52 может быть 36 797 588, то есть почти сорок миллионов веществ! В связи с этим возникает вопрос, как называть эти вещества? Эта проблема решается с помощью системы составления названий органических соединений. Такая система называется номенклатурой. В настоящее время наиболее широко используется систематическая, или Международная, номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of Pure and Apply Chemistry). Основные принципы ее были предложены в 1892 году на Международном съезде химиков в Женеве. С тех 16 пор номенклатура органических соединений неоднократно дополнялась и совершенствовалась. Рассмотрим основные принципы номенклатуры органических соединений для класса алканов. Молекулы алканов могут иметь линейное и разветвленное строение. Вначале рассмотрим номенклатуру алканов линейного строения. Названия первых четырех представителей гомологического ряда алканов – метана, этана, пропана и бутана – являются исторически сложившимися, или тривиальными. Названия последующих гомологов состоят из корня, соответствующего греческому числительному, обозначающему число атомов углерода в молекуле алкана, и суффикса -ан. Например: СН3–СН2–СН2–СН2–СН3 – пентан, СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 – гексан, СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 – октан, СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 – декан. Назвать молекулу алкана разветвленного строения несколько сложнее. Будем руководствоваться очевидным принципом: если объект невозможно назвать целиком, разобьем его на части и будем называть по частям. При этом логично представить молекулу разветвленного строения как подобие «дерева», имеющего «ствол», к которому в определенных местах прикреплены «веточки». Задача сводится к определению в названии длины «ствола», «веточек» и мест соединения «веточек» со «стволом». Основа нашего «дерева» – «ствол», который называется главной цепью. Эта цепь имеет максимальную для данной молекулы длину. «Веточки», соединенные с нашим «стволом», представляют собой группы атомов СН3–, СН3–СН2– и т.д. Такие группы называются углеводородными группами. Названия углеводородных групп состоят из корня, соответствующего названию алкана с таким же, как и в углеводородной группе, числом атомов углерода, и суффикса -ил. Таким образом, группа СН3– называется метил; 17 группа СН3–СН2–, или С2Н5–, называется этил; СН3–СН2–СН2–, или С3Н7–, называется пропил; и т.д. То есть название углеводородной группы состоит из корня, показывающего число атомов углерода в ней, и суффикса -ил. Используются также названия метильная, этильная, пропильная и т.п. группы. Теперь составим название разветвленного алкана. Оно будет состоять из нескольких частей: названия углеводорода, соответствующего главной цепи, и названий углеводородных групп. Для наглядности рассмотрим правила номенклатуры алканов на примерах. Пример 1 Назовем изомер бутана разветвленного строения: 1 2 3 СН3–СН–СН3 СН3 Молекулу данного соединения можно рассматривать как молекулу пропана, в которой второй атом углерода связан с одним атомом водорода и метильной группой СН3–. Очевидно, что выбор главной цепи и порядок нумерации в данном случае однозначен. Атомы углерода нумеруются арабскими цифрами. Название этого углеводорода будет двухкорневым словом, в котором имеются корень, указывающий, что главная цепь соединения включает три атома углерода, и суффикс -ан, показывающий, что данное соединение принадлежит к классу алканов. Метильная группа при втором атоме углерода обозначается приставкой 2 и названием группы СН3 – метил, которое, в свою очередь, состоит из корня -мет- и суффикса -ил. Название цифры-приставки пишется через дефис. Эти номера также называют локантами. 18 В итоге название углеводорода: ┐ 2-метилпропан. Части слова в названии (корни, приставка и суффиксы) обозначены так, , суффикс – , приставка – как это принято в русском языке: корень – ┐. Пример 2 Рассмотрим более сложный случай. Составим название изомера пентана разветвленного строения: CH3 CH CH2 CH3 CH3 Выбираем в молекуле главную цепь, которая должна иметь максимальную длину. Атомы углерода главной цепи нумеруем арабскими цифрами. Нумерацию следует начинать с того конца, к которому ближе находится заместитель: 1 2 3 4 CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 . Как видно, главная цепь содержит четыре атома углерода, что соответствует алкану, название которого бутан. Углеводородная группа (в данном случае CH3–, или метил), соединенная с главной цепью, фигурирует в названии углеводорода в качестве отдельной части слова с номером атома углерода главной цепи, с которым она связана. В итоге наш углеводород будет называться 2-метилбутан. Таким образом, название алкана разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, где сначала идут названия углеводородных групп с номерами атомов углерода главной цепи, с которыми они соединены. 19 Далее идет название главной цепи. Оно совпадает с названием углеводорода с таким же числом атомов углерода в молекуле. Заканчиваться название будет суффиксом -ан, одинаковым для всех алканов. Пример 3 Назовем изомер гептана, имеющий строение: 1 2 3 4 5 СН3–СН––СН–СН2–СН3. СН3 СН3 Главная цепь соединения содержит пять атомов углерода, как у углеводорода пентана. Данный пример интересен тем, что в молекуле имеются две метильные группы, они связаны со вторым и третьим атомами углерода главной цепи. Отметим, что в случае наличия в молекуле нескольких одинаковых углеводородных групп, их число обозначается дополнительной приставкой, соответствующей греческому числительному, например: диэтил-, трибутил-, пентаметил- и т.д. Таким образом, приставкицифры укажут на положение углеводородных групп в молекуле, а приставки – греческие числительные – на их общее количество, поэтому перед названием метил необходимо поставить приставку ди-. Название соединения: ┐┐ ─┐ 2,3-диметилпентан. Возникает вопрос: а можно ли пронумеровать атомы углерода в этой же молекуле с другого конца и назвать соединение 3,4-диметилпентан? Так делать нельзя, следует нумеровать атомы углерода с того конца, к которому ближе находится первый заместитель. Пример 4 20 Рассмотрим еще более сложный пример. Назовем алкан следующего строения: Самая длинная цепь в молекуле углеводорода включает семь атомов углерода. Нумеровать их следует слева направо – с конца, к которому ближе находится первый заместитель. Следует отметить, что цепь, выделенная штрихом, также содержит семь атомов углерода, но эту цепь нельзя выбрать в качестве главной. Если в молекуле имеется несколько цепей атомов углерода одинаковой длины, то в качестве главной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей (наиболее замещенную цепь). В данной молекуле имеются четыре метильные и одна этильная группы. В названии их следует перечислять в алфавитном порядке, то есть сначала метильные, затем этильную группы. Второй атом углерода связан с двумя метильными группами, положение каждой из них должно быть отражено в названии, следовательно, цифра 2 перед частью слова, отражающего положение метильных групп, должна фигурировать дважды. Название углеводорода: 2,2,4,5-тетраметил-3-этилгептан. Пример 5 Решим обратную задачу – напишем структурную формулу алкана по его названию. Название алкана: ┐┐┐┐┐ ──┐ ┐ 2,2,3,5,5-пентаметил-3-этилгептан. Проведем разбор слова, так как это делается на уроках русского языка, 21 обозначив части слова принятыми для этого знаками: – корни, ┐– приставки, – суффиксы. Названия корней слова обозначают длины главной цепи молекулы и цепей углеводородных групп: -мет- – корень названия метильной группы, содержащей один атом углерода; -эт- – корень названия этильной группы, содержащей два атома углерода; -гепт- – корень названия главной цепи, содержащей семь атомов углерода. Цифры-приставки обозначают, что второй и пятый атомы главной цепи связаны с двумя метильными группами, третий атом – с метильной и этильной группами. Общее число метильных групп в молекуле – пять – показывает приставка пента- (от греческого пять) перед первым корнем. Суффикс -ил указывает на то, что соответствующие фрагменты молекулы являются углеводородными группами: СН3– (метил), С2Н5– (этил). Суффикс -ан на конце слова свидетельствует о принадлежности углеводорода к классу алканов. Теперь можно написать формулу: Из приведенных примеров видно, что возможности систематической номенклатуры практически неограниченны и позволяют называть углеводороды самого сложного строения, так как в основе формирования названий органических соединений лежат обычные принципы словообразования. Название углеводорода разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, корни которого обозначают длины главной цепи и цепей углеводородных групп. Суффикс -ил фигурирует в названиях 22 углеводородных групп. Суффикс -ан на конце слова указывает на принадлежность соединения к классу алканов. Система приставок показывает местоположение углеводородных групп и их количество. IV. Контрольно-коррекционный этап Ожидаемые результаты: учащиеся выполняют задания, касающиеся содержания нового материала, осознают собственный уровень усвоения нового материала, предъявляют его результаты. Формы работы: индивидуальная, фронтальная. Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран. Деятельность учителя: на экране демонстрируются вопросы и задания, которые предлагается выполнить учащимся. Вопросы и задания 1. Каковы основные причины многообразия органических соединений? 2. Что такое номенклатура органических соединений? Почему возникла необходимость ее введения? 3. Что такое углеводородная группа? Напишите формулы пропила, изопропила, бутила. Деятельность учащихся: выполняют в тетрадях предложенные задания, полученные результаты обсуждаются. V. Рефлексивный этап Ожидаемые результаты: осознание учениками результативности своей деятельности и ситуация успеха. Задачи учителя: организовать рефлексивную ситуацию, дать качественную оценку работы класса и отдельных учащихся. Деятельность учителя: организует интерактивную рефлексивную ситуацию, получает информацию о проблемных зонах для последующий коррекции, организует деятельность учащихся по осмыслению и успешности выполнения учебных задач урока, подводит итоги урока, задает домашнее задание. Текст домашнего задания представлен на экране. 23 Домашнее задание Учебник, § 28. Дополнительные задания: 1. Напишите структурные формулы изомеров гептана. Назовите все изомеры по систематической номенклатуре. 2. Назовите алкан следующего строения: 3. Напишите структурную формулу алкана, имеющего следующее название: 2,3,3,4-тетраметил-4,5-диэтилоктан. Проведите разбор слова. Сколько углеводородных групп в молекуле данного соединения? Деятельность учащихся: участвуют в рефлексии, выявляют возникшие затруднения, оценивают собственную деятельность и комфортность ситуации. Приложение 2 Некоторые интернет-порталы, используемые в образовательном процессе по химии: 1) superhimiki.at.tut.by (Национальная химическая олимпиада); 2) chem.msu.ru (Химический сайт Московского университета); 3) webelements.com pearl.lanl.gov (Периодическая таблица элементов); 4) olimp.distant.ru (Российская дистанционная олимпиада); 5) shef.ac.uk/chemistry/orbitron (Атомные и молекулярные орбитали); 6) padruschnik.by (Электронные учебники); 7) e-lyceum.by (Образовательный портал Лицея БГУ); 8) moodle.adu.by (Образовательный портал Национального института образования). 24 Приложение 3 Календарно-тематическое планирование факультативных занятий «Продолжаем открывать тайны вещества»* Темы занятий Тема 1. Свойства металлов известны всем. Рассмотрим свойства неметаллов 1 Отличие простых веществ от химических элементов. Почему химические элементы делятся на металлы и неметаллы? Положение неметаллов в периодической системе Д.И. Менделеева. 2 Неметаллы в природе и в нашей жизни. Агрегатные состояния неметаллов. Взаимосвязь между строением и физическими свойствами неметаллов. 3 Галогены – самые «неметаллические» неметаллы. Сравнение физических свойств и окислительной активности галогенов. Вытеснение активными галогенами менее активных из растворов их солей. 4 Что такое «соляной спирт», и как он взаимодействует с ляписом? Галогеноводородные кислоты и их соли. 5 Животворящий кислород и противоречивый озон. Состав и строение молекул кислорода и озона. Сравнение физических и химических свойств аллотропных модификаций кислорода. Пероксид водорода и озон – источники атомарного кислорода. 6 Почему, несмотря на высокую химическую активность, кислород в нашей атмосфере не заканчивается? Получение кислорода в лаборатории. Принципы получения кислорода из воздуха. 7 Аллотропные модификации серы. Сера в природе. Добыча серы подземной выплавкой. 8 Серная кислота и сульфаты. Серная кислота – «хлеб химической промышленности». 25 9 Азот – основной компонент атмосферного воздуха. Свойства азота. 10 Обязательный компонент любой аптечки – нашатырный спирт. Аммиак. Применение аммиака и солей аммония. 11 Селитры – соли азотной кислоты. 12 Зачем Лавуазье сжег алмаз? Аллотропные модификации углерода. 13 Углерод и кремний – основа современных материалов для микроэлектроники. Соединения углерода и кремния в быту. Тема 2. Введение в «химию живого» – органическую химию 14 Что изучает органическая химия? 15 Почему углерод образует больше соединений, чем все остальные элементы, вместе взятые? 16 Структурные формулы – язык органической химии. Оказывается, даже мельчайшие частицы – молекулы – имеют определенную форму. Пространственное строение молекул простейших органических соединений. 17 Изомерия – важнейшая причина многообразия органических соединений. Алканы. 18 Практическая работа. Изготовление шаростержневых моделей молекул. 19 Почему органическая химия ставила в тупик выдающихся химиков прошлого? Теория строения органических соединений. 20 Алканы – «каркасы» органических соединений. Закономерности их строения и физических свойств. 21 Как назвать каждое из бесчисленного множества веществ? Химическая номенклатура и филология. 22 Химические свойства алканов. Как правильно топить печь? 23 Как ученые устанавливают химическую формулу алкана? Вывод формул органических соединений. 24 Углеводородная цепь может быть не только линейной, но и циклической. Циклоалканы. 26 25 Как образуется двойная связь между атомами углерода? Алкены. 26 Химические свойства этилена. Этилен – вещество, из которого получают полиэтиленовую пленку. 27 Продолжаем «конструировать» молекулы органических веществ. Ацетилен и бензол. 28 Человек не может обходиться без пищи, а человечество – без нефти и газа. Природный газ и нефть. Переработка нефти. Как разобраться в марках бензина? Октановое число. 29 В составе молекул – атомы кислорода. Строение молекул спиртов. Отравляющее действие метилового и этилового спиртов на организм человека. Ядовитый этиленгликоль и безобидный глицерин. 30 Что такое столовый, или винный, уксус? Почему яблоки, лимоны и другие фрукты имеют кислый вкус? Карбоновые кислоты 31 Без азота нет жизни. Как вхождение азота в молекулу привело к белкам. * Колевич, Т.А. Продолжаем открывать тайны вещества: 9-й кл.: пособие для учителей общеобразоват. учреждений / Т.А. Колевич, Вад.Э. Матулис, Вит.Э. Матулис. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2010. – 32 с. – (Химия. Факультативные занятия). Приложение 4 Пример задачи на развитие эвристических способностей учащихся При полном кислотном гидролизе некоторого пентапептида получены три аминокислоты – глицин, аланин и лизин в мольном отношении 3 : 1 : 1. При частичном гидролизе этого же пентапептида были выделены три трипептида и три дипептида. Определение N-концевых аминокислот в трех трипептидах показало, что в двух ими является глицин, а в третьей – аланин. Определите последовательность аминокислот (первичную структуру) молекулы пентапетида и напишите его структурную формулу. Решение 27 Ключ к решению – анализ числа дипептидов, которые могут образоваться при гидролизе данного пентапептида. Обозначим аминокислотные остатки в составе пентапептида цифрами от 1 до 5. Тогда схема гидролиза с образованием дипептидов будет выглядеть следующим образом: 1 2 3 4 5 Очевидно, что должно образоваться четыре дипептида (1-2, 2-3, 3-4 и 4-5), а в нашем случае их только три, следовательно, два являются одинаковыми. Это может быть только в том случае, если в полипептидной цепи три остатка глицина следуют друг за другом, тогда два одинаковых дипептида – Гли-Гли и в состав пентапептида входит цепочка Гли-Гли-Гли. После этого вывода число возможных вариантов строения исходного пентапептида сокращается до шести: 1. Гли-Гли-Гли-Ала-Лиз. 2. Гли-Гли-Гли-Лиз-Ала. 3. Ала-Лиз-Гли-Гли-Гли. 4. Лиз-Ала-Гли-Гли-Гли. 5. Ала-Гли-Гли-Гли-Лиз. 6. Лиз-Гли-Гли-Гли-Ала. Окончательный выбор подсказывает природа N-концевых остатков у трех трипептидов, которые могут образоваться при частичном гидролизе исходного пентапептида. Только в случае гидролиза пептида № 5 N-концевыми аминокислотными остатками у трипептидов будут аланин, 28 глицин и глицин. Таким образом, первичная структура пентапептида: Ала-Гли-Гли-Гли-Лиз. 29
