Химическое образование студентов педагогических высших учебных заведений

УДК 378

М. Ф. Каримов

Химическое образование студентов педагогических высших учебных заведений

Бирская государственная социально-педагогическая академия 452453, Башкортостан, г. Бирск, ул. Интернациональная 10; тел./факс (3414)2-64-55

Рассмотрены содержание, формы организации и методы обучения основам химии студентов естественно-математических и социально-гуманитарных факультетов педагогических вузов. Оценено дидактическое значение влияния химического образования студентов высшей педагогической школы на формирование у будущих исследователей и преобразователей природы и общества целостной научной картины мира.

Ключевые слова: химическое образование, формы организации и методы обучения основам химии, информационное моделирование химической действительности, аналитическая и синтетическая составляющие учебного познания химических объектов, процессов и явлений.

Химическая, нефтехимическая, металлургическая, нефтяная и газовая отрасли промышленности, являющие основой благополучия всего населения, заслуживают систематического изучения своих основ студентами каждого, в том числе и педагогического, высшего учебного заведения.

К основным принципам профессионально-педагогической подготовки будущих учителей-исследователей, в том числе и в области химического образования, на наш взгляд 1, относятся:

1. Принцип методологической, творческой, теоретической, методической и практической подготовки в виде единой, целостной совокупности междисциплинарных знаний — моделей и умений — алгоритмов решения задач естественно — математических наук.

2. Принцип предусмотрительности в проектировании перспективной необходимости выпуска специалистов для работы в новейших направлениях науки, техники, производства, образования и экономики.

3. Принцип оптимального сочетания фундаментального образования с учебной практикой, совершаемой в среде компьютерных и телекоммуникационных технологий.

4. Принцип отражения в содержании подготовки будущих учителей-исследователей уважительного отношения всех социальных институтов к личности ученого-естественни-

Дата поступления 27.09.06

ка — яркого носителя таких человеческих качеств, как уникальность, талант, интеллект, профессионализм и нравственность.

5. Принцип учета в подготовке будущих учителей-исследователей всех основных достижений и ценностей естественно-математических наук, обогащенных и усовершенствованных в среде новых информационных технологий.

Определенная часть требований выделенных выше принципов естественно-математической подготовки студентов высших педагогических учебных заведений выполняется по отношению к химическому образованию будущих исследователей и преобразователей природной и социальной действительности. Об этом свидетельствует основные образовательные программы подготовки выпускников педагогических вузов по всем специальностям, разрабатываемые на основании государственных образовательных стандартов типа 2, химическая составляющая которых представлена в табл. 1.

Содержание курса общекультурной дисциплины «Концепции современного естествознания», преподаваемой в большинстве факультетов высшего педагогического учебного заведения, обогащается нами 3 для усовершенствования химического образования студентов следующими дидактическими элементами: химия как наука о законах и способах превращений веществ, связанных с преобразованием наружных электронных оболочек атомов, при котором происходит изменение состава и структуры газообразных, жидких или твердых тел; этапы измерения и источники погрешностей в химическом анализе сырья и товарной продукции газо- и нефтепереработки; абсолютные и относительные, систематические и случайные погрешности химического анализа веществ, обращающихся в нефтегазовом деле; генеральная и выборочная совокупности в применении к данным и результатам химического анализа вещества на предприятиях нефтяной и газовой промышленности; алгоритмы и критерии, разработанные в математической статистике и применяемые в обработке

Таблица 1

Распределение учебной нагрузки по химическим дисциплинам на естественно-математических и социально-гуманитарных факультетах высшего педагогического учебного заведения

Факультет педвуза Наименование химических дисциплин Всего учебных часов

Физико-математический Химия Общая и экспериментальная физика 72 1122

Химико-биологический 1. Общая и неорганическая химия 2. Строение молекул и основы квантовой химии 3. Органическая химия и основы супрамолекуляр-ной химии 4. Аналитическая химия 5. Физическая химия 6. Коллоидная химия 7. Биохимия и основы биорегуляции организма 8. Прикладная химия 9. Неорганический синтез 10. Органический синтез 11. Химия высокомолекулярных соединений 12. Химия окружающей среды 480 72 390 210 270 72 290 300 78 200 72 72

Технологии и предпринимательства Химия Основы производства 72 470

Художественно-графический Концепции современного естествознания 134

Исторический Концепции современного естествознания 134

Филологический Концепции современного естествознания 134

Иностранных языков Концепции современного естествознания 134

Педагогики детства Концепции современного естествознания 120

Физической культуры Концепции современного естествознания 120

Социальной педагогики и психологии Концепции современного естествознания 120

данных и результатов эмпирических исследований нефтехимических объектов, процессов и явлений; проектирование и реализация гео-физико-геохимического анализа оболочки Земли; периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева (1834—1907) как основная системно-структурно-функциональная модель решения задач химии 4; электронные структуры атомов малых и больших периодов таблицы химических элементов, типы, формы и число электронных орбиталей атомов, гибридизация как смешение атомных орбиталей с близкорасположенными энергетическими состояниями, перекрывание атомных орбиталей при образовании ст- и п-связей в молекулах; символические и графические электронные формулы как простейшие идеальные модели химии; основные характеристики ковалентной химической связи: длина, энергия, насыщаемость, направленность, полярность, поляризуемость, валентный угол и гибридизация атомных орбиталей; электростатическое взаимодействие, лежащее в основе ионной химической связи; металлическая химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов, принадлежащих всем атомам в кристалле; водородная химическая связь как разновидность взаимодействия между полярными молекулами; эмпирические,

электронные и структурные формулы химических, в том числе и углеводородных, соединений; объяснение сущности химических связей и структур веществ исходя из вариационных принципов; синергетическое объяснение образования устойчивых состояний и структур химических систем через механизм самоорганизации природы — возбуждение в среде одной из структур-аттракторов; цель отдельных объектов и сложных химических систем неживой природы — достижение устойчивого конечного состояния в виде простого аттрактора на основе принципа наименьшего действия и второго начала термодинамики, термодинамический; статистический и квантово-механический методы теоретического исследования объектов, процессов и явлений в учении о веществах и их превращениях, простые и сложные вещества как химические системы; реакционная способность веществ, обращающихся в нефтегазовом деле; химические реакции соединения, разложения, замещения и обмена; скорость химических реакций, концентрационный и температурный факторы, влияющие на скорость химической реакции; экзотермические и эндотермические химические реакции; обратимые и необратимые химические реакции; химическое равновесие, оставляющее концентрации исходных веществ и продуктов реакции

неизменными; предсказание качественного направления смещения химического равновесия под действием температуры и давления посредством принципа А. Л. Ле-Шателье (1850— 1936); катализатор — матрица, осуществляющая сложные коллективные взаимодействия, приводящие к ускоренному объединению атомов в молекулу вещества; процессы самоорганизации, протекающие в неравновесных открытых каталитических системах; гомогенные и гетерогенные каталитические реакции в нефтехимической промышленности; автокаталитические химические реакции; возникновение упорядоченности в химических колебательных реакциях, протекающих в хаотическом режиме, длинноволновая бифуркация в химических автоколебательных системах, периодические; сложно периодические, квазипериодические и хаотические концентрационные колебания в химических реакциях типа Б. П. Белоусова (1893-1970) - А. М. Жаботинского (р. 1938); роль определенных химических реакций в происхождении нефти в недрах Земли; основные классы неорганических соединений; углерод, кремний и их соединения; металлы и их соединения; теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова (1828-1886); классификация органических соединений с помощью трех рядов - алифатические (ациклические), карбоциклические и гетероциклические химические соединения; заместительная и радикально-функциональная номенклатура органических молекул; классификация и механизмы органических реакций; природные нефтяные и газовые источники получения органических соединений; предельные, этиленовые, диеновые; ацетиленовые; алициклические и ароматические углеводороды; предельные одноатомные, двухатомные и трехатомные спирты; одноатомный, двухатомные и трехатомный фенолы; альдегиды и кето-ны, имеющие карбонильную группу, связанную с одним и двумя углеводородными радикалами; реакции альдегидов и кетонов со спиртами, приводящие к образованию ацеталей и кеталей; линейная и циклическая полимеризации с участием альдегидов; карбоновые кислоты как производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на карбоксильную группу; сложные эфи-ры, получаемые при взаимодействии спиртов с карбоновыми кислотами; жиры как смеси сложных эфиров, образованных глицерином и высшими жирными кислотами; получение пищевого маргарина способом гидрогенизации жиров; моносахариды, содержащие альдегид-

ную и кетонную группы; глюкоза как альдеги-доспирт, содержащий пять гидроксигрупп; фруктоза как структурный изомер глюкозы, содержащий кетогруппы; исходные неорганические соединения (вода и двуокись углерода) и продукты (глюкоза и кислород) фотосинтеза, от которого зависит все живое на Земле; молочно-кислое и спиртовое брожения моносахаридов под влиянием микроорганизмов для образования молочной кислоты и этилового спирта; дисахарид-сахароза (тростниковый или свекловичный сахар), образованная взаимодействием полуацетального гидроксила глюкозы с полуацетальным гидроксилом фруктозы с выделением воды, как важный пищевой продукт; полисахарид-крахмал, построенный из остатков глюкозы, выполняющий роль запасного питательного продукта во всех растениях, амины как производные аммиака, у которого атомы водорода замещены на углеводородные радикалы; простейший ароматический амин-анилин, служащий основой химического анилинокрасочного производства, природный газ как дешевое и удобное сырье для получения углеводородов с низкой молекулярной массой; удаление из природного газа, состоящего в основном из метана, путем сжижения пропана и бутана; использование газовой сажи в производстве шинной резины; получение спиртов и кислот из углеводородов, входящих в состав природного газа; выделение путем перегонки из нефти газовой фракции, содержащей нормальные и разветвленные алканы до С5 (Ткип. до 40 оС), бензина, содержащего до 20% от общего состава углеводороды С6-С10 (Ткип. до 180 оС), керосина, содержащего углеводороды Сц и С12 (Ткип. до 230 оС), легкого газойля, содержащего углеводороды С13 и С17 (Ткип. до 305 оС), тяжелого газойля, содержащего углеводороды С^ и С25 (Ткип. до 405 оС), смазочных масел, содержащих углеводороды С26 и С38 (Ткип. до 515 оС), асфальт как остаток после перегонки нефти, крекинг или термокаталитическое превращения составных частей нефти как основной способ переработки нефти; расщепление углеводородов под воздействием высоких температур (500-700 оС) при термическом крекинге нефтепереработки, каталитический крекинг составных частей нефти, производимый при высоких температурах и в присутствии катализаторов, образование при крекинге нефти непредельных углеводородов, используемых в промышленном органическом синтезе продуктов нефтехимии; аминокислота, имеющая карбоксильную группу (-СООН) и аминогруп-

пу (—ЫН2), присоединенные к одному атому углерода; белки, образующиеся при соединении аминокислот в разные последовательности; первичная, вторичная и третичная структуры белка, аденин, гуанин, тимин и цитонин как нуклеотиды, составленные из аминокислот; дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты, содержащие цепи из пар ну-клеотидов; распространение конформаци-онных нелинейных волн в нуклеотидных цепочках биохимических макромолекул.

К основным организационным формам учебного процесса, проектируемого и реализуемого в высшей педагогической школе для всех студентов, приобретающих знания по основам теоретической и прикладной химии, относятся: 1) лекция; 2) семинар; 3) практикум по решению задач; 4) составление и защита реферата; 5) консультация; 6) прослушивание и запись выступлений приглашенных крупных ученых-естественников; 7) экскурсия по природным объектам, в научную организацию или на производственное предприятие.

Будущие учителя-исследователи, обучающиеся на естественно-математических факультетах педвуза, выполняющие курсовые и дипломные работы по неорганической и органической химии, пользуются такими формами профессиональной подготовки, как лабораторная работа, самостоятельная работа студента под руководством преподавателя-ученого, учебно-исследовательская работа, научно-исследовательская работа, технологическая практика, выполнение и защита курсовой работы, выполнение и защита дипломной или выпускной работы.

Логические методы обучения студентов педагогического вуза основам химии, имеющие жесткий порядок действий и определенную гарантированность результатов учебного процесса, связанные с изложением преподавателями-учеными и усвоением будущими учителями-исследователями уже известных в современной науке моделей и алгоритмов решения химических задач, ориентированы на развитие интеллектуального потенциала и логического мышления обучающихся.

Эвристические методы обучения и творчества, применяемые в педагогическом вузе при изучении и развитии химической науки, имеющие полужесткий порядок действий и вероятностный характер получения результатов исследовательской деятельности, связанные с поиском и обоснованием новых моделей и алгоритмов решения химических задач, направ-

лены на развитие творческого потенциала и интуитивного мышления будущих исследователей и преобразователей природной действительности.

Систематическое и регулярное освоение основ химии как аналитической и синтетической науки, способствует, как показывает дидактический опыт, успешному усвоению студентами педвуза положений и приемов системно-структурно-функционального, статистического и синергетического методологических подходов к изучению объектов, процессов и явлений окружающего нас мира, ряд фундаментальных тем по которым представлен в табл. 2.

Педагогический опыт, накопленный нами в высших педагогических учебных заведениях Урала за последние десять лет, показывает, что ряд студентов естественно-математических факультетов, прочно усвоивших вышеперечисленные подходы к исследованию химической действительности, успешно выполняет и защищает диссертации на соискание ученой степени кандидатов и докторов физико-математических или химических наук, а остальные выпускники педвузов, заинтересованно изучавшие основы химии в общекультурном курсе «Концепции современного естествознания», проводят эффективную проф-ориентационную работу в средних общеобразовательных школах по химическим, нефтехимическим и техническим специальностям.

В связи с выделенной дидактической эффективностью педвузовского изучения основ химии в проектировании и реализации подготовки будущих исследователей и преобразователей природы и общества, на наш взгляд, следует увеличить объем аудиторных часов, отво-димых,хотя бы в рамках национально-регионального (вузовского) компонента государственного образовательного стандарта, на преподавание химических дисциплин.

Анализ и обобщение представленного выше материала относительно химического образования студентов высших педагогических учебных заведений приводят к следующим выводам:

1. Дидактическая необходимость систематического освоения основ химии всеми студентами педагогических вузов определяется ведущей ролью химической и нефтехимической промышленности в экономическом развитии нашей страны и общеметодологическим значением химической науки.

Таблица 2

Фундаментальные научные темы по методологическим системно-структурно-функциональному, статистическому и синергетическому подходам к исследованию химической действительности

Методологический подход Уровень организации системы

Простой Сложный Сверхсложный

Системно-структурно-функциональный Одноатомные системы, представленные в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Молекулярные системы, объясняемые в рамках теории химического строения веществ А.М.Бутлерова Системы полимерных молекул типа дезоксирибо-нуклеиновой и рибонуклеиновой кислот.

Статистический Статистическое представление об электроне как о размазанном по всему объему атома пульсирующем облаке. Статистическое объяснение свойств молекулярных систем квантовым поведением электронов. Статистическое моделирование процессов, протекающих в молекулярных системах.

Синергетический Нелинейные уравнения среды с устойчивыми состояниями в виде спектра элементарных частиц и атомов. Процесс возникновения длинноволновой бифуркации в химических автоколебательных системах. Явление распространения конфирмационных нелинейных волн в нуклеотид-ных цепях макромолекул.

2. Химия как аналитическая и синтетическая наука, преподаваемая в высшей педагогической школе, несет наряду с физикой и математикой основную дидактическую нагрузку в формировании и развитии у студентов системно-структурно-функционального, статистического и синергетического подходов к исследованию и изменению действительности.

3. Освоенные посредством химического образования методологические подходы к познанию и преобразованию природной и технической действительности служат основой эффективной научной и преподавательской деятельности выпускников высших педагогических учебных заведений.

Литература

1. Каримов М. Ф.//Вестник Оренбургского государственного университета.— 2005. — №4.-С. 108.

2. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Специальность 030600 — Технология и предпринимательство. Квалификация — Учитель технологии и предпринимательства / Министерство образования и науки Российской Федерации.-М., 2005.- 31 января.- 23 с.

3. Каримов М. Ф. Подготовка будущих учителей-исследователей в информационном обществе: Монография.- Челябинск: изд.-во ЧГПУ «Факел», 2002.- 612 с.

4. Каримов М. Ф. // Башкирский химический журнал.- 2005.- Т.12.- №4.- С. 30.