Грабовий А. К. Хімічний експеримент в проблемному навчанні хімії в загальноосвітніх навчальних закладах

Грабовий А. К.,
доцент кафедри якості, стандартизації та органічної хімії Навчально-наукового інституту природничих наук Черкаського національного університету імені Богдана Хмельницького, кандидат педагогічних наук, доцент

Рецензент: Нінова Т. С.,
доцент кафедри хімії Навчально-наукового інституту природничих наук Черкаського національного університету імені Богдана Хмельницького, кандидат педагогічних наук, доцент

Хімічний експеримент в проблемному навчанні хімії в загальноосвітніх навчальних закладах

У статті розкрито питання ролі хімічного експерименту в проблемному навчанні хімії в загальноосвітніх навчальних закладах. Показано, що хімічний експеримент є способом створення та розв’язання проблемних ситуацій з хімії. Проблемний хімічний експеримент забезпечує не тільки опанування нових знань, а й удосконалення практичних вмінь і навичок, забезпечуючи їх подальший розвиток.

Ключові слова:  загальноосвітні навчальні заклади, хімічний експеримент, проблемне навчання хімії, проблемна ситуація, проблемний хімічний експеримент.

Постановка проблеми. Одними із пріоритетних завдань, визначених у Національній доктрині розвитку освіти в Україні, є створення передумов для виховання особистості, формування здатності творчо мислити, самостійно приймати нестандартні рішення, гнучко реагувати на зміни в суспільному житті країни. Тому навчання не може обмежитися передаванням суми знань – не менш важливим завданням є розвиток мислення учнів у процесі учіння. Серед наявних методичних підходів найбільше відповідає цим завданням проблемне навчання. З огляду на це набувають актуальності дослідження методики проблемного навчання хімії в умовах модернізації шкільної хімічної освіти.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Проблема шкільного хімічного експерименту в методиці навчання хімії детально вивчена і знайшла своє відображення у працях провідних вітчизняних і зарубіжних учених,  методистів-хіміків. Проблемному навчанню присвячено чимало досліджень і публікацій вітчизняних і зарубіжних психологів та дидактів.

У методиці навчання хімії є чимало наукових напрацювань щодо проблемного навчання хімії в загальноосвітніх навчальних закладах, найважливішими з яких вважаємо праці Н. Буринської [1], В. Вивюрського [3], В. Гаркунова [4], В. Полосіна [5], Ю. Суріна [6; 7], Н. Чайченко [9], Г. Чернобельської [10] та інших. Дослідниками розглянуто наступні аспекти проблемного навчання хімії: сутність проблемного навчання; способи створення проблемних ситуацій; етапи роботи над проблемою; методика проблемно-розвивального навчання. Водночас проблема оновлення методики проблемного навчання в умовах модернізації шкільної хімічної освіти, удосконалення методики хімічного експерименту потребує подальших досліджень. Актуальність дослідження зумовлюється й тим, що “в школах недостатня увага звертається на виконання проблемних експериментів з метою розвитку учнів” [7, с. 53]. Проблемне навчання, звичайно, актуальне для сучасного викладання не тільки хімії, але й інших природничо-наукових предметів, зокрема географії [8].

Формулювання цілей статті. Мета статті полягає у висвітленні науково-теоретичних засад застосування хімічного експерименту в реалізації проблемного навчання хімії в загальноосвітніх навчальних закладах.

Виклад основного матеріалу. Проблемне навчання хімії, як і інших предметів природничо-наукового циклу, як зазначає Г. Чернобельська [10], – це розвивальне навчання, за якого учні систематично включаються у процес розв’язування проблем і проблемних завдань, побудованих на змісті програмового матеріалу. Проблемний підхід тільки тоді сприяє розвитку мислення, коли проблемні ситуації організовуються на уроках регулярно, переходять від однієї до іншої та застосовуються в певній системі. Тому одну з вимог до сучасного уроку хімії Р. Іванова [5] вбачає у використанні всіх можливостей змісту і методів навчання для проблемної побудови навчального процесу як важливої умови розвитку логічного мислення учнів, їхніх творчих здібностей, інтересу до навчання.

Дослідники [2] розглядають проблемне навчання як педагогічну технологію. Сутність технології проблемного навчання полягає в тому, що вчитель не повідомляє знання в готовому вигляді, а ставить перед учнями проблемні завдання, які спонукають шукати способи та засоби їх розв’язання.

Основні положення технології проблемного навчання можна сформулювати так: 1) системність проблем і способів їх розв’язання; 2) цілеспрямованість і планомірність розвитку пізнавальних здібностей, самостійності учнів; 3) поступове залучення учнів до розв’язання пізнавальних проблем.

Реалізація цих положень можлива лише за умови детального аналізу змісту матеріалу, його структурування і вибору певних методів навчання. У проблемному навчанні виокремлюють три групи методів: метод проблемного викладу матеріалу вчителем; частково-пошуковий, або евристичний; дослідницький [5]. Така організація навчання забезпечує активну пізнавальну діяльність учнів в оволодіння новими знаннями. Практична реалізація кожного з цих методів залежить від рівня пізнавальної самостійності учнів, і, відповідно, визначається певними чинниками, серед яких найбільше значення має зміст навчального матеріалу та підготовленість школярів.

Процес проблемного навчання уподібнюється науковому пошуку й характеризуються в поняттях: "проблема", "проблемна ситуація", "гіпотеза", "експеримент", "висновки".

Проблемне навчання на практиці реалізується у вигляді таких етапів: 1) перший етап – підготовка учнів до сприймання – актуалізація опорних знань; 2) другий етап – створення проблемної ситуації; 3) третій етап – формулювання проблеми; 4) четвертий етап – розв’язання проблеми: а) висунення гіпотези; б) побудова плану реалізації гіпотези; в) підтвердження або спростування гіпотези; 5) п’ятий етап – висновки [1].

Кожна навчальна проблема може виражатися у вигляді запитання або завдання. Але не кожне запитання або завдання є проблемним: якщо запитання передбачає репродуктивну відповідь, воно не може вважатися проблемним; не будуть проблемними й експериментальні завдання, що потребують проведення дослідження на підставі відомих теоретичних положень. Запитання й завдання вважаються проблемними тоді, коли містять певні суперечливі дані, а отже, зумовлюють роздуми й пошуки, узагальнення,  висновки, викликають пізнавальний інтерес, передбачають застосування учнями здобутих знань, набутого досвіду.

Аналіз наукових джерел показує, що створювати проблемні ситуації та розв’язувати їх можливо за допомогою різних методів, а також із використанням різних видів хімічного експерименту – демонстрацій, лабораторних дослідів, практичних робіт. Посилення дослідницької функції експерименту в навчанні хімії створює підґрунтя для його застосування у проблемному навчанні.

Демонстраційні та лабораторні досліди у процесі проблемного навчання можуть, по-перше, бути засобом для створення проблемних ситуацій і, по‑друге, використовуватись для їх розв’язання [3]. З огляду на це дослідники виокремлюють проблемний та дослідницький експеримент [6], перший із яких розглядають як форму застосування хімічного експерименту в навчанні, що дає можливість організовувати (створювати) проблемну ситуацію та викликати інтерес учнів до пошуку причин спостережуваних явищ, а дослідницький експеримент – це експеримент, спрямований на розв’язання проблемної ситуації. Необхідно зазначити, що й дослідницький експеримент також може приводити до створення проблемних ситуацій, що, у свою чергу, потребує проведення нових або додаткових досліджень. З огляду на це В. Полосін [5] виокремив два випадки створення та розв’язання проблемних ситуацій: 1) на основі виконання хімічного експерименту, що потребує наступного теоретичного обґрунтування (Експеримент → Проблема → Теорія → Висновок); 2) на основі теорії з наступним експериментальним підтвердженням (Теорія → Проблема → Експеримент → Висновок).

Забезпечити розвиток учнів у процесі навчання хімії, як показали дослідження Ю. Суріна [6; 7], можливо на основі впровадження в навчальний процес проблемно-розвивального експерименту. Методика передбачає проведення стандартних та нестандартних дослідів, які сприяють створенню неочікуваних проблемних ситуацій і розширенню кругозору учнів, на уроках, факультативних заняттях. За такої методики навчання школярі постійно залучаються до розв’язання проблемних ситуацій різного рівня складності з опорою на конкретне джерело знань – хімічний експеримент. Учитель при цьому є консультантом, застосовує різноманітні методи активного навчання – проблемний виклад матеріалу, евристичний або поєднує їх.

У пошуковій ситуації учні є активними учасниками пізнавального процесу: формулюють проблеми, обґрунтовують гіпотези, складають план їх теоретичної або експериментальної перевірки, виконують дослідження, укладають самостійні висновки. Ознайомлюючись із новими варіантами взаємодії речовин в умовах проблемних ситуацій, вони досягають нового рівня розуміння цих властивостей, що забезпечує розвиток мислення.

Дослідником [6] виокремлено схему проблемного експерименту (Рис. 1):

де Е_пробл. – експеримент, за допомогою якого створюють проблемну ситуацію; П – проблема; Г – гіпотеза; Т – теорія; Е_досл. – дослідницький експеримент, який підтверджує гіпотезу і теорію; В – висновок; Е_{перевір.} – перевірений експеримент, що підтверджує одержаний висновок.

Рис. 1. Схема проблемного експерименту

Застосовуючи проблемні досліди, необхідно враховувати, що для доведення або спростування гіпотези в ході розв’язання проблеми можуть використовуватись усі досліди, передбачені програмою, а з метою створення проблемної ситуації може бути використаний не кожний дослід. З огляду на це досліди, за допомогою яких учитель створює проблемну ситуацію, мають відповідати таким вимогам: 1) зміст дослідів має ґрунтуватися на засвоєних учнями знаннях, набутих уміннях та створювати посильну проблемну ситуацію; 2) їх проведенню має передувати показ одного або декількох дослідів, які сприяють розумінню проблеми учнями; 3) досліди мають викликати інтерес, збуджувати допитливість учнів [2].

Щоб створювати проблемні ситуації, учителю необхідно проаналізувати навчальний матеріал з точки зору змісту, структури, особливостей його засвоєння учнями та можливостей використання дослідів для створення та розв’язання проблем. Застосування проблемних дослідів необхідно передбачити в тематичному плануванні навчального матеріалу.

Учнів необхідно навчати розв’язуванню проблем – спочатку вчитель сам створює проблему і показує способи її розв’язання, потім проблемні ситуації аналізуються під керуванням учителя. У міру накопичення учнями знань і оволодіння вчителем досвіду використання проблемного підходу до навчання учням надається все більше самостійності як у формулюванні, так і в розв’язанні проблем.

Розглянемо методичні аспекти застосування проблемних дослідів під час вивчення окремих типів шкільного курсу хімії. У коротких методичних вказівках щодо їх проведення звертаємо увагу на назву досліду, його мету, необхідні реактиви та обладнання, актуалізацію наявних знань, формулювання проблеми, висунення гіпотези, розв’язання проблеми, висновки.

І. Дослід демонстраційний. Добування карбон(IV) оксиду та вивчення його властивостей.

Мета. Показати залежність властивостей карбон(IV) оксиду від його складу та будови.

Реактиви та обладнання. Шматочки мармуру та вапняку, хлоридна кислота (1:4), вапняна вода, універсальний індикатор, натрій гідроксид (w=1%), лабораторний штатив, газовивідна трубка, штатив із пробірками.

Актуалізація наявних знань для усвідомлення проблем. Учням з курсу хімії 8 класу відомі загальні властивості кислотних оксидів, кислот лугів, солей. У вступній бесіді вони відновлюють у пам’яті властивості цих сполук.

Створення проблемної ситуації та формулювання проблеми. Спочатку розглядається карбон(IV) оксид. За складом він належить до оксидів неметалів. Це дає можливість стверджувати, що карбон(IV) оксид здатний виявляти загальні властивості оксидів неметалів. Ставиться проблема: за допомогою досліду перевірити, чи буде карбон(IV) оксид взаємодіяти з водою і лугами.

Висунення гіпотези. Учні передбачають, що карбон(IV) оксид, очевидно, виявляє хімічні властивості, подібні із загальними властивостями оксидів неметалів.

Розв’язання проблеми і висновки. Досліди демонструє вчитель.

1. Збирають прилад для добування карбон(IV) оксиду. У пробірку приладу опускають шматочок мармуру і додають хлоридну кислоту (1:4). Спостерігають виділення бульбашок газу – карбон(IV) оксиду.
2. У пробірку з водою, підфарбованою універсальним індикатором, пропускають карбон(IV) оксид. Спостерігають зміну забарвлення індикатора.
3. Спочатку в пробірку з вапняною водою, а потім у пробірку з досить розбавленим розчином натрій гідроксиду пропускають карбон(IV) оксид. У першій пробірці спостерігають помутніння розчину, а у другій – його знебарвлення.

Учні пояснюють сутність спостережуваних дослідів, складають рівняння реакцій і доходять висновку, що карбон(IV) оксид виявляє загальні властивості неметалів і одержують його так, як і більшість газуватих оксидів.

II. Дослід лабораторний. Гідроліз солей.

Мета. Розширити знання учнів про хімічні властивості солей на прикладі їх взаємодії з водою (гідроліз солей).

Реактиви та обладнання. Розчини натрій хлориду, натрій карбонату, цинк сульфату, натрій гідроксиду, хлоридної кислоти, фенолфталеїну та універсальний індикаторний помір.

Актуалізація опорних знань для усвідомлення проблеми.

1. У пробірки з розчинами хлоридної кислоти, натрій гідроксиду та з водою опускають універсальний індикаторний папірець. Спостерігають, що в перших двох пробірках її колір змінюється, а у пробірці з водою змін не спостерігається. Учням відомо, що розчини кислот і основ змінюють забарвлення індикаторів. Це зумовлено наявністю гідроген-іонів (у першій пробірці) та гідроксид-іонів (у другій пробірці). У воді забарвлення індикатора не змінюється із-за відсутності тих чи інших йонів.

Створення проблемної ситуації і формулювання проблеми.

1. У  розчин натрій хлориду опускають індикаторний папірець. Змін забарвлення індикатора не спостерігається.

2. У розчин натрій карбонату та цинк сульфату опускають індикаторний папірець. В обох випадках відбувається зміна забарвлення індикатора.

До цих пір учні вважали, що водний розчин солей – нейтральний розчин, оскільки під час дисоціації солей не утворюються ні гідроген-іони, ні гідроксид-іони. Через зміну забарвлення індикаторів у розчинах солей в учнів виникає суперечність між новим знанням та наявними уявленнями. На основі цього формулюється проблема: чому водні розчини солей в одних випадках змінюють забарвлення індикаторів, а в інших ні?

Висунення гіпотези. Учні вважають, що причина зміни забарвлення індикаторів у розчинах солей зумовлюється, очевидно, наявністю гідроген-іонів та гідроксид-іонів.

Розв’язання проблеми і висновки. Використовуючи наявні знання, учні складають схеми гідролізу солей в йонній формі та пояснюють сутність спостережуваних явищ. Вони з’ясовують, що солі, утворені сильними кислотами та основами, не гідролізують. Солі, утворені слабкою й сильною кислотою, а також сильною основою і слабкою кислотою, взаємодіють із водою, з утворенням малодисоційованих сполук і звільненням у розчин гідроксид-іонів та гідроген-іонів.

Створювати й розв’язувати проблемні ситуації можливо і за допомогою групової експериментальної роботи учнів. Обов’язковими елементами групової роботи є такі: формулювання й усвідомлення мети (загальне групове завдання); виконання індивідуального завдання відповідно до спільної мети; обов’язкова взаємна перевірка результатів роботи кожного, допомога і пояснення один одному утруднень, що виникають; спільне формулювання висновку на основі узагальнення результатів, здобутих кожним членом групи; співвіднесення висновків з поставленою на початку роботи метою.

Проблемні ситуації можливо створювати і розв’язувати за допомогою експериментальних індивідуально-диференційованих завдань, у яких  ураховано рівень підготовки та індивідуальні особливості учнів.

Висновки. Проблемне навчання – це пошукова навчально-пізнавальна діяльність учнів, спрямована на розв’язання проблем, проблемних завдань, побудованих на змісті програмового матеріалу.

Одним із способів створення та розв’язання навчальних проблем з хімії є хімічний експеримент. Можливі варіанти створення та розв’язання проблемної ситуації за допомогою хімічного експерименту: 1) проблемна ситуація виникає на основі виконання експерименту, що потребує теоретичного пояснення; 2) проблемна ситуація виникає на основі відомої учням теорії, коли експеримент підкріплює вивчену теорію.

Систематичне виконання проблемних дослідів у поєднанні з їх теоретичним обґрунтуванням дає можливість більш глибокого проникнення в сутність явищ, що вивчаються, сприяє формуванню в учнів цілісного наукового підходу до вивчення хімії.

Перспективи подальших розвідок вбачаємо в дослідженні рівнів проблемності хімічного експерименту, у розробленні його методичного супроводу.

Список використаних джерел

1. Буринська Н. М. Методика викладання хімії (теоретичні основи) / Н. М. Буринська. – К. : Вища школа, 1987. – 255 с.
2. Васильева П. Д. Обучение химии / П. Д. Васильева, Н. Е. Кузнецова. – СПб. : КАРО, 2003. – 128 с. – (Модернизация образования).
3. Вивюрский В. Я. Эксперимент по химии в средних профтехучилищах / В. Я. Вивюрский. – М. : Высшая школа, 1980. – 72 с.
4. Гаркунов В. П. Проблемность в обучении химии / В. П. Гаркунов // Химия в школе. – 1971. – № 4. – С. 23–27.
5. Общая методика обучения химии : Содерж. и методы обучения : пособие [для учителей] / Цветков Л. А., Иванова Р. Г., Полосин В. С. и др. ; под ред. Л. А. Цветкова. – М. : Просвещение, 1981. – 224 с.
6. Сурин  Ю. В. Методика проведения проблемных опытов по химии. Развивающий эксперимент / Ю. В. Сурин. – М. : Школа-Пресс, 1998. – 144 с.
7. Сурин Ю. В. Проблемно-развивающий эксперимент в обучении химии / Ю. В. Сурин // Химия в школе. – 2005. – № 5. – С. 53–55.
8. Топузов О. М. Проблемне навчання географії в школі : теорія і практика : монографія / О. М. Топузов. – К. : Фенікс, 2007. – 304 с.
9. Чайченко Н. Н. Використання проблемного експерименту в хімічній підготовці учнів / Н. Н. Чайченко // Хімічна освіта в контексті Болонського процесу : стан і перспективи : матеріали Всеукр. наук.-практ. конференції; 18-19 травня 2006 р. / за заг. ред. В. П. Покася, В. С. Толмачової. – К. : НПУ ім. М. П. Драгоманова, 2006. – С. 162–164.
10. Чернобельская Г. М. Методика обучения химии в средней школе : учеб. для [студ. высш. учеб. заведений] / Г. М. Чернобельская. – М. : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – 336 с.

Грабовый А. К. Химический эксперимент в проблемном обучении химии в общеобразовательных учебных заведениях

Актуальность материала, изложенного в статье, обусловлена модернизацией школьного химического образования, поиском способов обновления методики применения химического эксперимента, переориентацией методики и техники школьного химического эксперимента в направлении от объяснительно-иллюстративного подхода в обучении химии к личностно ориентированному, исследовательскому. Усиление исследовательской функции эксперимента обуславливает его использование в качестве метода, способа создания и решения проблемных ситуаций в обучении химии. Проблемный химический эксперимент способствует приобретению новых знаний, усовершенствованию практических умений и навыков, дальнейшему их развитию.

Ключевые слова: общеобразовательные учебные заведения, химический эксперимент, проблемное обучение химии, проблемная ситуация, проблемный химический эксперимент.

Graboviy, A. K. Chemical Experiment in Problem Teaching Chemistry in Secondary Schools

The relevance of the material presented in the article, due to the modernization of school chemical education, finding ways to update their methods of using chemical experiment, techniques and technology, the reorientation of school chemistry experiment in the direction of the explanatory and illustrative approach to teaching chemistry to personally oriented, research. Strengthening the research function of the experiment determines its use as a method means creating and problem solving in teaching chemistry. The problem chemistry experiment contributes to the acquisition of new knowledge, improve practical skills, further their development.

Key words: secondary schools, chemical experiment, the problem teaching chemistry, problem solving, the problem chemistry experiment.