Микрохимический эксперимент как интерактивная форма лабораторного практикума в НИУ химии и технологии перспективных материалов

О. С. Григорьева, Л. З. Рязапова МИКРОХИМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ИНТЕРАКТИВНАЯ ФОРМА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА В НИУ ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: микрохимический эксперимент, химическая подготовка, оборудование для проведения эксперимента, методическое обеспечение.

В статье представлена инновационная интерактивная форма проведения лабораторного практикума для химических дисциплин, обосновано её использование в учебном процессе. Использование микроколичеств химических реагентов позволяет экономически и экологически выгодно выстроить учебный процесс. Кроме того, индивидуализация подготовки, предусматриваемая при такой форме практикума, позволяет прививать навыки научного творчества и развивает химическое мышление, что особенно актуально для национального исследовательского университета в области химии и технологи перспективных материалов.

Keywords: microchemical experiment, chemical preparations, equipment for earring out experiments, methodical support.

In the article the innovative interactive form of carrying out of a laboratory practical work for chemical courses is presented, its use in educational process is proved. Use of microquantities of chemical reagents allows economically and ecologically to build educational process. Besides, the individualization of preparation provided at such form of a practical work, allows imparting skills of scientific creativity and develops chemical thinking that is especially urgent for national research university in the field of chemistry and technologies of advanced materials.

Основной вопрос, волнующий преподавателей естественнонаучных дисциплин всего мира: быть или не быть школьному лабораторному практикуму, в котором работу выполняет сам ученик? Может быть, демонстрационные опыты учителя гораздо нагляднее? А компьютерная симуляция химического эксперимента и безопаснее, и экологичнее?

Успешным и фундаментальным естественнонаучное образование может быть только тогда, когда учащиеся под руководством преподавателей проводят опыты самостоятельно. И лишь такая схема построения занятий не только способствует лучшему усвоению базовых знаний и умений по химии, физике, биологии и другим наукам о природе, но и повышает интерес учащихся к этим естественнонаучным дисциплинам, вызывает желание продолжить свое обучение в этом направлении и посвятить свою будущую профессиональную жизнь этой области человеческой деятельности.

Если провести последовательный анализ программ, методик и форм преподавания химии, основной проблемой является несоответствие объема изучаемого материала времени, отводимого на его изучение. Каждое занятие предусматривает новую тему без учёта

времени на отработку изученного материала, “обратную связь” и корректировку результатов согласно данным “обратной связи”.

Лабораторный практикум по химии можно проводить на малоформатном и недорогом оборудовании, разработанном в КГТУ в рамках Всемирного проекта ЮНЕСКО «Мик-ронаучный эксперимент» [1], который успешно функционирует в системах общего и начального профессионального образования в более чем 60 странах мира на протяжении почти 20 лет.

Набор лабораторного оборудования для микронаучного эксперимента представляет собой комплект пластиковых принадлежностей, при помощи которых возможно провести лабораторные работы в рамках всех естественно-научных дисциплин начального вузовского цикла - общая и неорганическая химия, органическая химия, электрохимия, физика, биология, экология.

Достоинствами набора являются его экологичность и экономичность, поскольку для проведения занятий:

а) используются микроколичества химических реактивов;

б) все компоненты набора выполнены из пластмассы, которая не разбивается, в отличие от традиционных стеклянных пробирок;

в) один набор может эксплуатироваться в течение учебного года для проведения всего спектра лабораторных занятий;

г) лабораторная работа занимает от 4 до 15 минут, что позволяет использовать ее как составную часть текущего лекционного или практического занятия.

Основной плюс набора - возможность индивидуализации обучения, привитие студентам начальных навыков научного творчества, поскольку предполагается, что каждый работает с набором самостоятельно, получая практические умения исследовательской деятельности.

Однако, основным компонентом базовой химической подготовки является учебник и сопровождающие его учебно-методические материалы - лабораторный практикум, сборник задач по химии, методические рекомендации для преподавателя.

В настоящее время уделяется большое внимание совершенствованию учебновоспитательного процесса, об этом свидетельствуют многочисленные публикации в периодических методических изданиях, авторские разработки, а также выступления педагогов на разного уровня конференциях и марафонах. Проблема качества обучения стоит довольно остро, поэтому многие педагоги-методисты пытаются ее разрешить. Большинство из них уверены, что в преподавании химии должна усилиться роль лабораторных и практических работ, которые способствуют не только повышению качества знаний, формированию практических умений, развитию самостоятельности учащихся, но и усилению политехнической направленности преподавания химии [2].

Однако именно при проведении химических экспериментов мы используем различные и не всегда безобидные химические реактивы, и уже это обстоятельство диктует необходимые меры безопасности, связанные как с непосредственными участниками эксперимента, так и с окружающей средой. Поэтому, в микрохимическом эксперименте большинство практических работ предполагается проводить, используя минимальное количество реактивов: речь идет о капельном уровне для жидкостей и микроколичествах для твердофазных веществ. Кроме этого, и рекомендованные в работах концентрации растворов в абсолютном большинстве случаев являются минимальными.

Именно такой подход позволяет говорить о безопасности проведения экспериментов, как для учащихся, так и для окружающей среды. При этом, финансовые затраты явля-

ются также минимальными. Оба указанных обстоятельства являются основой успешного функционирования проекта во многих странах мира.

Экспериментальный характер химии проявляется, прежде всего, в том, что каждое научное понятие должно логически вытекать из поставленной задачи и обосновываться практически [3]. Химическое понятие - это обобщенные знания о существенных признаках химических явлений и процессов, которые формируются на основе их восприятия. Их анализ дает возможность найти существенные, присущие им всем черты и на этой основе установить химические закономерности. Используя различные виды химического эксперимента, преподаватель учит конкретизировать теоретические знания, находить общее в единичном, конкретном. Химический эксперимент помогает учащимся наполнить усваиваемые ими химические понятия живым, конкретным содержанием, увидеть в отдельных фактах общие закономерности.

Химический эксперимент развивает мышление, умственную активность учащихся, его можно рассматривать как критерий правильности полученных результатов, сделанных выводов. Опыт работы преподавателей химии показывает, что одна из причин отставания в учебе -затруднение, вызванное переходом от наглядных образов к абстрактным понятиям.

В химической науке применяют различные методы экспериментирования [4]. Для школы, например, представляют интерес микро-, полумикро- и макрометоды. Необходимо отметить, что нет строго определенных количественных характеристик для указанных методов. Так, академик А. П. Крешков считает, что для микрометода требуется в 100 раз меньше вещества, чем для макрометода, а для полумикрометода берется вещества в 10 - 20 раз меньше, чем для макрометодов [5]. Профессор Г. П. Хомченко и другие специалисты предлагают иные границы: для микрометода - 0,1 - 10 мг твердого вещества и 0,05 - 0,5 мл раствора; для полумикрометода - 10 - 100 мг твердого вещества и 0,5 - 5 мл раствора.

Впервые вопрос о методе работы с малыми количествами реактивов в школе был поднят в пятидесятые годы В. В. Левченко и М. А. Иванцовой [6]. В его содержание они включали: микрометод, полумикрометод и частично макроэксперимент.

Л.Л. Генкова рассмотрела эффективность использования полумикрометода при проведении опытов по органической химии, произвела замеры концентраций некоторых вредных веществ [7]. Она показала, что этот метод дает значительную экономию реактивов, времени (30 - 40%), материальных средств и положительно сказывается на деятельности преподавателя, высвобождая время, затрачиваемое им на подготовку практических работ, развивает у учащихся наблюдательность, повышает остроту восприятия ими учебного материала, приучает к бережливости, точности и аккуратности, содействует развитию самостоятельности студентов.

Сокращение доли самостоятельных экспериментальных работ, подмена практических занятий выполнением кратковременных отдельных опытов, лабораторных работ -демонстрацией опытов, в худшем варианте - показом видеоматериалов - опасная тенденция, снижающая качество изучения химии.

Таким образом, еще задолго до введения лабораторных опытов с применением полумикрометода в учебный процесс средней и высшей школы сформировались очевидные предпосылки для его появления. Среди них педагоги подчеркивают, в основном, значительную экономию химических реактивов и выделяющееся свободное время на занятиях, которое можно использовать для усиления профессиональной направленности и развития творческой деятельности обучаемых. Однако одних предпосылок, как выяснилось, оказалось не достаточно - школа нуждалась в разработке и представлении конкретных мероприятий и методик для осуществления экспериментальной деятельности на уроке с ис-

пользованием полумикрометода. Методические рекомендации разных лет, описанные в литературе, проходили не только теоретическую проверку, но и апробацию в условиях реальных средних и высших учебных заведений. Факты, указывающие на повышение процентов усваиваемости материала и развития творческого мышления у студентов, проходящих обучение с применением микроэкспериментов, подтверждают, что педагоги-методисты двигаются в правильном направлении дальнейших исследований в этой области, начало которым было положено уже более полувека назад. Нужно отметить, что многими исследователями проделана работа по формированию определенных методик проведения микроэксперимента, включающих в себя не только описание предполагаемых преимуществ, которыми будет обладать курс химической дисциплины, но и описание специального оборудования, требующегося в ходе опытов.

В ходе исследовательской деятельности нашего научного коллектива был разработан ряд лабораторных работ с использованием микрохимического оборудования в соответствие с рабочей программой некоторых специальностей КГТУ. Составлены методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «Общая и неорганическая химия», а также предложены к применению руководства для преподавателей, в которых дается подробное описание хода работы, меры предосторожности и ответы на примерные вопросы, поставленные перед студентами в соответствующих методических указаниях. Приводим пример одной из указанных лабораторных работ [8].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ТЕМА: «р-ЭЛЕМЕНТЫ V ГРУППЫ. АЗОТ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ ОКИСЛЕНИЯ»

НАЗВАНИЕ: «ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ ОКИСЛЕНИЯ»

Часть 1. Окислительно-восстановительные свойства оксонитрат (III) - иона

Подготовка к работе.

Оборудование. Поддон, 3 тонкие пипетки.

Реактивы. Раствор серной кислоты N2804, раствор нитрита натрия №N02, раствор йодида калия К1, раствор оксоманганата (VII) калия КМп04.

Порядок работы.

1. В ячейку С1 и С2 пипеткой внесите по 3-5 капель раствора нитрита натрия.

2. Подкислите содержимое обеих ячеек 1 каплей раствора серной кислоты.

3. В ячейку С1 добавьте 3 капли окрашенного раствора йодида калия.

4. В ячейку С2 добавьте 3 капли окрашенного раствора оксоманганата (VII) калия.

5. Наблюдайте изменение окраски растворов в ячейках С1 и С2 и выделение небольшого количества бесцветного газа в ячейке С1.

Часть 2. Окислительные свойства азотной кислоты.

Подготовка к работе.

Оборудование. Поддон, 3 тонкие пипетки, микрогорелка, спички, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, микрошпатель.

Реактивы. Раствор серной кислоты N2804, концентрированный и разбавленный растворы азотной кислоты НN0з, раствор йодида калия К!, магниевая стружка Мд, концентрированный раствор соляной кислоты N0!, универсальный индикаторный раствор.

Порядок работы.

1. В ячейку Б1 поместите 1 микрошпатель магниевой стружки.

2. В ячейку Б1 пипеткой внесите 3-5 капель раствора разбавленной азотной кислоты.

3. Предварительно нагрейте на микрогорелке стеклянную палочку и помешайте ей раствор в ячейке Б1.

4. Чтобы экспериментально доказать образование в растворе нитрата аммония, пипеткой добавьте в ячейку Б1 универсальный индикаторный раствор. Отметьте изменение окраски раствора.

5. В ячейку Б1 внесите 3-5 капли концентрированной азотной кислоты.

6. Осторожно добавьте туда же 10-15 капель концентрированной соляной кислоты.

7. Предварительно нагретой на микрогорелке стеклянной палочкой перемешайте содержимое ячейки Б1.

8. Смочите полоску фильтровальной бумаги в растворе окрашенного йодида калия и поднесите ее к ячейке Б1.

9. Отметьте обесцвечивание полоски бумаги вследствие взаимодействия образовавшегося газа с йодидом калия.

Тщательно промойте поддон по окончании опытов.

Вопросы.

В.1 Опишите подробно уравнения окислительно-восстановительных реакций, протекающих в ячейках С1 и С2. Докажите, что нитрит-ион проявляет свойства как окислителя, так и восстановителя.

В.2 Объясните изменение окраски растворов и выделение газа в ячейке С1.

В.3 Опишите структуру и пространственное строение молекулы азотистой кислоты. Приведите электронную конфигурацию молекулы НN02 и предположите, что она проявляет окислительно-восстановительные свойства.

В.4 Докажите, что нитрат-ион проявляет окислительные свойства при взаимодействии с магнием. Напишите уравнение протекающей в ячейке Б1 ОВР.

В.5 Напишите уравнение гидролиза соли нитрата аммония, доказывающее, что индикатор изменяет свой цвет в соответствие с образовавшейся средой раствора.

В.6 Какая реакция происходит в ячейке Б1 при смешивании и нагревании растворов азотной и соляной кислот в соотношении 1:3. Напишите данную ОВР.

В.7 Какой газ образуется в ячейке Б1?

В.8 Докажите с помощью уравнения реакции, что бумага, смоченная раствором йодида калия, при поднесении ее к ячейке Б1 обесцвечивается.

Описанный микронаучный эксперимент осуществлялся на лабораторных занятиях по общехимическим дисциплинам в КГТУ среди бакалавров, обучающихся по направлению «Химическая технология». В результате исследования было выявлено повышение показателей сформированности профессиональных компетенций у студентов, участвующих в эксперименте, что свидетельствует о необходимости внедрения микронаучного эксперимента в учебный процесс.

Литература

1. Микронаучный эксперимент: Сборник лабораторных работ. под ред. Дьяконова Г.С., Покровского А.Н. - Казань: Отечество. - 2007. - 893 с.

2. Сосунова, Л.А. Проблемы реализации образовательных услуг в процессе профессиональной подготовки / Л.А. Сосунова, И.А. Фирсоваа // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №6. -С.307-314.

3. Вивюрский, В. Я. Методика химического эксперимента в школе / В. Я. Вивюрский // Химия в школе. - 2003. - № 28. - С. 34 - 38.

4. Чертков, И. Н., Жуков П. Н. Химический эксперимент с малыми количествами реактивов: Кн. для учителя / И. Н. Чертков, П. Н. Жуков. - М. : Просвещение, 1989. - 294 с.

5. Крешков, А. П. Основы аналитической химии / А. П. Крешков. - М. : Химия, 1976. - 426 с.

6. Левченко, В. В. Опыты по химии с малым количеством реактивов / В.В. Левченко, М.А. Иванцова. - М.: Учпедгиз, 1947. - 361 с.

7. Генкова, Л. Л. О работе с малыми количествами органических веществ / Л.Л. Генкова // Химия в школе. - 1976. - № 1. - С. 29 - 35.

8. Григорьева, О.С. Общая и неорганическая химия: Лабораторный практикум с использованием микрохимического оборудования по дисциплине «Общая и неорганическая химия» для студентов очной формы обучения. Часть 1 / О.С. Григорьева. - Казань: Изд-во Казан. госуд. технол. унта, 2009. - 108 с.

© О. С. Григорьева - ст. преп. каф. прикладной химии Альметьевского государственного нефтяного института, olshab@rambler.ru, Л. З. Рязапова - канд. техн. наук, зав. каф. ОДО КГТУ, ryazapova@mail.ru