Реализация элективного курса «История химии» при работе по УМК В.В. Еремина и др.
Целевые установки: знакомство с методикой обучения истории химии, как на уроках, так и в рамках специального элективного курса.
План лекции:
1) Элективные курсы в системе профильного обучения
2) Классификация элективных курсов
3) Критический анализ имеющихся элективных курсов по истории химии
4) Примеры использования знаний по истории химии при преподавании химии по УМК В.В. Еремина и др.
Текст лекции:
В концепции профильного обучения на старшей ступени общего образования одной из целей перехода к профильному обучению обозначено создание условий для существенной дифференциации содержания обучения старшеклассников с широкими и гибкими возможностями построения школьниками индивидуальных образовательных программ. Помимо профильных общеобразовательных предметов в старшей школе этому служат и элективные курсы - обязательные курсы по выбору учащихся, входящие в состав профиля обучения на старшей ступени школы. Они выполняют несколько задач, в том числе развивают содержание одного из базисных курсов. Это позволяет интересующимся учащимся удовлетворить свои познавательные потребности и получить дополнительную подготовку для сдачи экзаменов по этому предмету на профильном уровне. С другой стороны, элективные курсы направлены на удовлетворение познавательных интересов отдельных учащихся в областях деятельности, выходящих за рамки выбранного профиля. Все элективные курсы можно условно разделить на три группы. К первой из них (условное название «предметные курсы») относят курсы, направленные на углубление и расширение знаний по предметам, входящим в базисный учебный план школы. Это могут быть (1а) элективные курсы повышенного уровня, направленные на углубленное изучение одного из учебных предметов, а по времени и тематически согласованные с ним, то есть имеющие прямые корреляции в планировании с основным (базовым) курсом. Преимущество такого курса состоит в изучении школьниками основного курса не на профильном, а на еще более углубленном уровне. При этом все разделы основного курса в элективном курсе освещаются более или менее равномерно. Особо можно выделить элективные курсы, в которых школьники углубленно изучают лишь отдельные разделы основного курса, входящие в обязательную программу данного предмета (1б) или не входящие в нее (1в). Целью прикладных элективных курсов (1г) является знакомство учащихся с важнейшими путями и методами применения знаний на практике, развитие интереса учащихся к современной технике и производству, а также методов познания природы. Отдельно стоит упомянуть элективные курсы, посвященные изучению методов решения задач (математических, физических, химических, биологических и т.д.), составлению и решению задач на основе физического, химического, биологического эксперимента (1д). В эту группу традиционно относят и элективные курсы, (1е) посвященные истории предмета (это может быть предмет, как входящий в учебный план школы (история физики, биологии, химии, географии и.т.д.), так и не входящий в него (история астрономии, техники, геологии, нанотехнологии и т.д.).
Ко второй группе относят межпредметные элективные курсы, служащих интеграции знаний учащихся о природе и обществе. Именно в этот раздел, на наш взгляд, и требует помещать курсы по истории наук, так как они по сути своей межпредметны. Третью группу составляют элективные курсы по предметам, не входящим в базисный учебный план. При его составлении большинство школ придерживается соотношения объемов базовых, профильных и элективных курсов 50%, 30%, и 20% соответственно, предложенного в «Концепции профильного обучения». Учитывая, что установленный СанПиНами максимальный объем аудиторной нагрузки школьников старших классов составляет 36 часов, получается следующее распределение курсов по часам: 18 часов в неделю – базовые, 8 час –профильные, 6 – элективные. Предполагается участие каждого школьника в трех элективных курсах, на изучение которых отводится в сумме шесть часов в неделю, то есть по 2 часа на каждый курс. Заметим, что согласно примечанию к проекту базисного учебного плана, число часов, отводимое на изучение предметов на профильном уровне, может быть увеличено за счет времени на элективные курсы, что и делают в большинстве школ, в которых есть профильное обучение. Как показывает наша педагогическая практика, на элективный курс практически нигде реально не отводится более одного часа в неделю. В то же время, часть элективных курсов по химии составлена из расчета двух и даже более часов в неделю.
На наш взгляд, преподавание истории химии в школе должно быть соотнесено с курсами химии, истории, литературы, истории искусства (если такой курс изучается). Взаимодействие курса химии с курсом истории химии должно осуществляться следующим образом.
Во-первых, школьный курс химии традиционно включает сведения по истории науки. Это не только упоминания об алхимии, о семи металлах древности и т.д., но, прежде всего, рассказ о великих химиках с подробным анализом вклада отечественных ученых в науку. Недаром большинство кабинетов химии украшают изображения великих ученых.
Во-вторых, курс истории химии должен напрямую отрабатывать важнейшие разделы основного курса. Например, рассказ о древней металлургии меди должен быть подкреплен обсуждением типов руд именно с точки зрения химии. Приведем возможные слова учителя. «Известно, что медь встречается в природе преимущественно в виде сульфидных и полисульфидных руд, которые и служат сырьем для современной цветной металлургии. Оксидные руды, к которым относятся не столько оксиды, сколько основные карбонаты меди (II) (малахит и азурит, который не дает больших образований) распространены в природе гораздо реже». Сообщив это школьникам и продемонстрировав образцы минералов (например, малахита, ковеллина или халькопирита), учитель может поставить перед ними ряд вопросов. Почему сульфидные руды распространены в природе чаще оксидных? Чем обусловлен выбор древних металлургов? Ответ на первый вопрос следует из большего сродства меди к сере, чем к кислороду. Медь, обладая «мягкой» электронной оболочкой (конфигурация Cu+ 1s22s22p63s23p63d10 или Cu2+ 1s22s22p63s23p63d9) обладает гораздо большим сродством к «мягкой» сере, у которой более рыхлая электронная оболочка (S2- 1s22s22p63s23p6), чем к более «жесткому» кислороду (О2- 1s22s22p6). Ответ на второй вопрос многоплановый. Конечно, не последнюю роль в выборе сырья играл внешний вид минерала. Красивый зеленого цвета малахит, к тому же иногда содержащий синий налет азурита, наверняка быстрее бросался в глаза, чем «невзрачные» сульфидные руды. Но дело даже не в этом. При определенных навыках, передающихся из поколения в поколение, древние люди научились безошибочно находить самые разнообразные рудные минералы. Дело в том, что сульфидные руды термодинамически более устойчивы, чем оксидные. Все по той же причине – ионы меди и сульфид-ионы взаимодействуют в кристаллической решетке более эффективно, чем ионы меди и оксид-ионы. Учитель может продемонстрировать это разными путями, в зависимости от тех знаний, которыми обладают школьники. Здесь можно привлечь сведения об энергиях Гиббса образования минералов, или об их произведениях растворимости (которые демонстрируют всю ту же большую устойчивость сульфидов, то есть их гораздо меньшую растворимость в воде). А школьникам, не знакомым с этими величинами, можно просто сказать, что благодаря такому строению электронных оболочек ионы меди прочнее удерживаются сульфид-ионами, чем оксид-ионами. Тем самым учитель закрепляет и развивает знания, полученные школьниками на уроках химии. Далее учитель может сообщить классу, что для выделения меди из руды ее надо восстановить. Школьники могут самостоятельно перечислить важнейшие восстановители, которые могли использовать люди в древности. Обычно называют водород, уголь, металлы, угарный газ. Сразу не надо отклонять ни одно из предложений, а собрать их и проанализировать. Можно использовать и наводящие вопросы (Могли ли в древности провести алюмотермию? Когда был впервые получен водород?) Ясно, что наиболее доступным восстановителем был уголь. Здесь можно обратиться к курсу географии и вспомнить, что школьники знают об угле. В природе встречаются каменный и бурый уголь, но распространены они не повсеместно. В горных районах, где сконцентрированы запасы рудных минералов, угля, как правило, нет. Поэтому приходится использовать уголь древесный. Ученые подсчитали, что для получения 100 кг древесного угля требуется 15 деревьев высотой примерно 15 м. Самый хороший уголь образуют твердолиственные породы (дуб, береза). Такой уголь сейчас можно приобрести в магазинах (он служит для мангалов). Для получения древесного угля выкапывали яму диаметром 1 – 2 метра и глубиной чуть менее. В ней сжигали сухую траву, ветки деревьев. На образовавшийся слой золы укладывали куски древесины, из которой и будет получен уголь. Все это сверху покрывали слоем влажной травы и листьев, что обеспечивало медленное окисление (с этим термином школьники знакомы по курсу химии восьмого класса, тема «Кислород»). Для его протекания требовалось несколько часов, уголь доставали лишь на следующий день. Он сохранял форму кусков деревьев.
Данный пример показывает, как чисто химические обсуждения мы советуем чередовать с собственно историческими экскурсами. Приведем еще некоторые сведения из истории.
В древности по берегам рек люди находили ковкие камни, похожие на золото, но в отличие от него темные. Это самородная медь. Первые ее находки датируют 6 – 5 тысячелетиями до н.э. к востоку от Каспийского моря, на территории Тибета и в Туркмении. В этих горных районах много руд, встречаются среди них и природные металлы. Собирание металлов еще не означало начало металлургии. Заметим, что на этой стадии остановились некоторые племена американских индейцев, с металлургией не знакомые. Для отделения от пустой породы природные камни бросали в огонь. Температура дровяного костра составляет 600-700 С. Учащиеся должны сопоставить ее с температурой плавления меди (1083 С) и сделать вывод о невозможности выплавки меди в ту далекую эпоху (каменный век). Как сделать из такого металла изделие? Путем ковки. Но не обычной, а в горячем состоянии – холодный металл слишком хрупкий. Природную медь нагревали в костре и ковали каменным молотом на камне, игравшем роль наковальни. Известно, что племена, жившие в 4 тысячелетием до н.э. в северной Африке и Юго-западной Азии имели запас меди, но не умели ее плавить. Горячей ковкой на костре удавалось лишь соединить несколько кусков меди в один.
Точно неизвестно, кто первым научился выплавлять медь из руд. Предполагают, что восстановление меди было открыто при обжиге керамики, покрытой стекловидной массой (фриттой), содержащей соединения меди. При обжиге в восстановительном пламени образовывалась пленка металла, которую и заметили древние гончары. Одними из первых с металлургией меди познакомились племена, обитавшие в горах Ближнего Востока в 6 – 5 тысячелетиях до н.э. В Южной Анатолии (на территории современной Турции) и сейчас издали заметен одинокий холм, возвышающийся над плоской равниной. Там расположен древний город Чатал-Хююк (как он назывался в то время, неизвестно, современное название в переводе с турецкого означает «вилообразный холм»). Жившие там племена занимались земледелием, разводили овец. Они выращивали пшеницу, ячмень, бобы, собирали в горах миндаль и фрукты. Они еще не знали железа, а орудия труда делали из обсидиана – вулканического стекла. Его так много в горах, что он являлся предметом экспорта. Чатал-Хююк – очень древний город, основанный еще в 8 тысячелетии до н.э. (напомним, что Древнее Царство в Египте, когда была построена пирамида Хеопса – это 3 тыс. до н.э., от времени Хеопса до основания Чатал-Хююка прошло времени столько же, сколько от времени Хеопса до нас!). В городе обитало 10 тыс. человек, жили они в домах из сырцового кирпича, которые стояли вплотную друг к другу. Улицы в Чатал-Хююке шли по крышам домов, там же располагалась и дверь в дом (она же служила окном и трубой). Медную руду (малахит) добывали в горах, отбивая от породы куски при помощи молотков из диорита весом до 30 кг. Отбитые куски выскребали скребками, которые делали из костей крупного рогатого скота, а также овец и горных козлов. Руду добывали не только на земле, но и под землей, создавая сеть ходов. Ее поднимали на поверхность земли, промывали, а затем смешивали с углем и нагревали в печи. Для восстановления меди из малахита углем требуется температура 700 – 800 С. Обычного дровяного костра не хватало. Поэтому вместо дров и использовали каменный уголь (учащиеся могут объяснить, почему он дает больше жара, чем дрова), а потом пользовались и мехами (их изобрели в Египте в середине 2 тыс. до н.э., тогда же там начали и выплавлять медь. Как видим, Египет сильно отставал от Передней Азии в развитии металлургии). Использование мехов учитель также должен прокомментировать, обращаясь к анализу факторов, влияющих на скорость реакции. Печь, которую использовали древние металлурги, представляла собой простое углубление в земле, выложенное камнями, обмазанными глиной. После проведения плавки остывший металл вынимали из печи и очищали от шлака. Именно текстура, примеси мелких частичек шлака и позволяют археологам отличить медь, выплавленную древними металлургами, от самородной.
Мы считаем, что школьный элективный курс по истории химии должен не только обозначать важнейшие этапы в развитии науки, но и быть наглядным и познавательным, тесно коррелировать, как с курсом химии, так и с курсом истории. Безусловно, он должен сопровождаться демонстрационным экспериментом, но, на наш взгляд, лабораторные и практические работы в нем не нужны – их лучше проводить на уроках химии. Историческую технологию можно продемонстрировать на примере выплавки олова или свинца. Однако, такой эксперимент надо готовить заранее и очень тщательно. Удачной демонстрацией станет обжиг куска мрамора на сильном огне и погружение его в воду, использование спектроскопа (при его наличии), разложение веществ при помощи солнечных лучей посредством увеличительного стекла.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о большом методическом значении элективного курса «История химии» как связующего звена между школьным курсом химии и предметами гуманитарного цикла. Он ни в коем случае не должен слепо копировать вузовские программы по данному предмету. По сути, все элективные курсы истории науки должны рассматриваться как межпредметные, только в этом случае они будут в полной мере служить образовательным целям. Такой элективный курс должен быть специально подготовлен совместно учителем химии и учителем истории и иметь отсылки как на уроках химии, так и на уроках истории при обсуждении тем, касающихся истории науки и техники. Только так, усилиями нескольких педагогов, может быть решена задача воспитания всесторонне образованных граждан, умеющих взглянуть на обыденные проблемы «химическим взглядом» и осознающих вклад наших выдающихся ученых в развитие мировой науки и техники.