Разработка комплекса учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе
На правах рукописи
Гусев
Сергей Николаевич
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА УЧЕБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В СЕЛЬСКОЙ ШКОЛЕ
Специальность 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (химия)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата педагогических наук
Москва 2012
Диссертация выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Институт содержания и методов обучения Российской академии образования»
Научный руководитель: доктор педагогических наук, доцент
Волкова Светлана Александровна
Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, доцент
Сурин Юрий Васильевич
доктор педагогических наук, доцент
Шалашова Марина Михайловна
Ведущая организация: Московский педагогический
государственный университет
Защита состоится «15» марта 2012 года, в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 008.008.05 при Федеральном государственном научном учреждении «Институт содержания и методов обучения Российской академии образования» по адресу: 105062, г. Москва, ул. Макаренко, д. 5/16.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСМО РАО.
Автореферат диссертации размещён на сайте института: http://ismo.ioso.ru/ и на сайте ВАК РФ http://vak.ed.gov.ru/.
Автореферат разослан « » февраля 2012 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета
канд. пед. наук В.Г. Смелова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Одной из важных задач изучения химии в современной школе является развитие творческих способностей школьников, формирование их «индивидуальной траектории» с высоким уровнем мотивации дальнейшего самообразования, глубокими знаниями и умением применять и пополнять их. Решение этой задачи невозможно без создания на уроках химии «дидактического образа», который формируется в процессе демонстрации ярких и запоминающихся опытов, отражающих сущность химических явлений. Совершенствование техники и методики химического эксперимента предполагает одновременное обновление и модернизацию системы учебного оборудования. Особо остро проблема обновления учебного оборудования актуализировалась для сельской школы. Созданию учебного оборудования по различным разделам курса химии в школе и вузе посвящены работы В.П. Артемьева, В.Н. Верховского, А.А. Журина, Э.Г. Злотникова, Р.Н. Князевой, Т.С. Назаровой, П.А. Оржековского, И.Ф. Раздымарина, В.В. Сорокина, Г.В. Пичугиной, А.А. Цветкова, С.Г. Шаповаленко и многих других исследователей.
В настоящее время сельская школа испытывает значительные трудности. Они связаны с демографическим спадом, значительным сокращением финансирования, общим социально-экономическим состоянием села, существенным отставанием сельской школы по качеству обучения и оснащению кабинетов от городской. Сельская школа является малочисленной и имеет дефицит квалифицированного кадрового состава при малой наполняемости классов. Модернизация образовательного процесса в сельской школе идет по направлению «реструктуризации сети общеобразовательных учреждений, расположенных в сельской местности» (Постановление Правительства Российской Федерации от 17 декабря 2001 г. №871). Вместе с тем сельская школа всегда была центром культурной жизни села. Проблема создания качественной материально-технической базы сельской школы в этих условиях является весьма актуальной. Создание унифицированного комплекса учебного оборудования, учитывающего специфику сельской школы, на наш взгляд, будет способствовать повышению качества обучения химии в сельских школах.
Существенно повысить качество обучения химии в сельских школах не возможно без создания унифицированного комплекса учебного оборудования, учитывающего специфику сельской школы. Одной из важных составляющих комплекса учебного оборудования, как и всего предмета химии, является химический эксперимент. Реализация идеи разработки данного комплекса непосредственно связана с созданием химического эксперимента нового поколения на основе цифровых образовательных ресурсов (ЦОР). Анализ дидактико-методической литературы по проблеме исследования показал, что различным аспектам методики химического эксперимента на основе ЦОР посвящены исследования С.А. Волковой, М.А. Дмитриевой, М.В. Дорофеева, А.А. Журина, В.В. Загорского, А.И. Зиминой, И.С. Ивановой, А.Н. Лёвкина, Ю.Б. Стунеевой, Ю.В. Сурина и др. Химический эксперимент в полной мере использовался в исследованиях А.А. Журина, Т.С. Назаровой, П.А. Оржековского, В.С. Полосина, Ю.В. Сурина и др., посвящённых развитию познавательных интересов и творческих способностей учащихся, формированию химических понятий, умений и навыков, развитию познавательной активности школьников при обучении химии. Теоретические аспекты использования учебного химического эксперимента для развития самостоятельности учащихся при изучении школьного курса химии рассмотрены также в исследованиях В.П. Гаркунова, В.В. Загорского. Методология учебного химического эксперимента освещена в работах В.Н. Верховского, Н.Е. Кузнецовой, Т.С. Назаровой, В.С. Полосина, С.И. Созонова, Л.А. Цветкова, С.Г. Шаповаленко. Особенностям химического эксперимента посвящены исследования Э.Г. Злотникова, В.С. Полосина, А.Д. Смирнова, И.Н. Черткова, Л.А. Цветкова и других. И.В. Волкова изучала возможности применения количественных опытов в школьной практике с проецированием их на экран. Созданием и конструированием новых приборов, комплектов, лабораторных принадлежностей занимались такие ученые как В.Н. Алексинский, А.А. Грабецкий, Ю.М. Григорьев, В.Н. Лаврова, И.И. Лахметкин, Т.С. Назарова, В.Г. Прокопенко, И.А. Черняк. В иностранной литературе мы находим работы профессоров В. Обендрауфа и Р. Беккера, которые предлагают проводить эксперименты с помощью простых и недорогих приборов.
К созданию комплексов учебного оборудования на основе цифровых образовательных ресурсов предъявляются такие требования, как простота и безопасность приборов, компактность, унификация и минимизация. С.Г. Шаповаленко создал теорию комплексного использования средств обучения и химического эксперимента. А.А. Грабецким и К.Я. Парменовым предложена идея системы комплексов средств обучения. Эту идею мы развиваем в направлении совершенствования технического и методического обеспечения химического эксперимента. Особый интерес представляют работы В.Н. Алексинского, обосновавшего принципы отбора учебного оборудования и разработавшего на их основе комплекты для изучения химических производств. Вопросы ведения лабораторного хозяйства кабинета химии в городской школе, а также методика решения расчётно-экспериментальных и качественных задач подробно рассмотрены в исследованиях В.П. Гаркунова. Проблемой создания комплексов средств обучения на уроках химии занимались сотрудники НИИ ШОТСО АПН А.А. Грабецкий, Т.С. Назарова, В.Н. Лаврова, Л.С. Зазнобина. С.А. Волковой и Т.С. Назаровой созданы концептуальные основы мультидисциплинарных комплексов дидактических средств и успешно внедрены в практику средней и высшей школы. Комплексной оценке химических компетенций, в том числе экспериментальных, посвящены работы М.М. Шалашовой. Вместе с тем методика, обеспечивающая систематическое использование на уроках химии доказательного и эффективного учебного эксперимента, раскрывающая сущность химических явлений, недостаточно разработана в дидактике. Нами сделана попытка создания унифицированного комплекса учебного оборудования, с помощью которого можно осуществить применение химического эксперимента как традиционного, так и нового поколения. В данном комплексе мы учли специфику организации химического эксперимента в сельской школе, что позволяет организовать работу учителя и учащихся на доступном уровне и с минимальными затратами учебного времени. За последние 15-20 лет проблема создания учебно-материальной базы сельской школы исследовалась незначительно.
Таким образом, проведённый анализ состояния учебно-материальной базы сельской школы и современного уровня развития педагогической науки позволил выделить ряд противоречий между:
- требованиями Государственного образовательного стандарта, выражающими необходимость формирования творческой, способной к самообразованию личности, владеющей основами научного метода познания, и недостаточной разработанностью учебного химического эксперимента, предназначенного для организации реального процесса научного познания при изучении химии;
- направленностью Государственного образовательного стандарта на деятельностный компонент образования, позволяющий повысить мотивацию обучения, и отсутствием тематики, типологии и содержания экспериментов нового поколения, а также методических рекомендаций по их применению на уроках химии;
- обоснованной многочисленными дидактическими исследованиями необходимостью организации активной учебно-исследовательской деятельности учащихся, включающей самостоятельное изготовление приборов и выполнение эксперимента с ними, и имеющимися в распоряжении учителя химии материальными и временными ресурсами, не позволяющими организовать познавательную деятельность при изучении химии;
- разработкой новых средств обучения, включая ЦОР, и отсутствием целостной методики обучения химии на их основе.
Выделенные противоречия определили проблему исследования: разработка эффективной методики химического эксперимента на основе ЦОР на уроках химии в сельской школе.
Цель исследования: выявить способы эффективного использования комплекса учебного оборудования для организации демонстрационного и лабораторного химического эксперимента в сельской школе.
Объектом исследования является процесс обучения химии в сельской школе.
Предмет исследования – химический эксперимент в сельской школе с использованием комплекса учебного оборудования.
Гипотеза исследования: комплекс учебного оборудования будет способствовать эффективной организации учителем химического эксперимента в сельской школе, который спроектирован на основе принципов наглядности, научности, рациональности, конструктивной активности, эргономичности, экономической эффективности с учётом особенностей материально-технической базы школы и учебно-познавательной деятельности обучаемых.
Для достижения цели исследования и проверки рабочей гипотезы были выдвинуты следующие задачи исследования:
1) выявить основные тенденции использования химического эксперимента в сельской школе с помощью анализа дидактико-методической литературы и практики;
2) определить принципы и требования к проектированию, разработке и использованию комплекса учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе;
3) разработать комплекс для осуществления химического эксперимента в сельской школе и оценить его эффективность;
4) разработать методические рекомендации для учителей химии малокомплектных сельских школ по использованию комплекса учебного оборудования на основе ЦОР.
Методологическая основа исследования базируется на теории научной рациональности в дидактике химии (С.А. Волкова), технологиях создания и использования средств обучения химии (П.И. Беспалов, А.А. Грабецкий, Л.С. Зазнобина, А.А. Журин, Т.С. Назарова, С.Г. Шаповаленко) и исследованиях в области обучения химии в сельской школе (В.Г. Андросова, С.А. Волкова, Т.С. Назарова, Г.В. Пичугина, Г.Ф. Суворова, Р.Г. Суровцева и другие).
Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы использовались следующие методы исследования:
- теоретические: анализ и синтез психолого-педагогической и дидактико-методической литературы по проблеме исследования; изучение нормативных и программно-методических документов об образовании; теоретический анализ состояния исследуемой проблемы; проектирование и моделирование методики комплексного использования химического эксперимента;
- эмпирические: педагогическое наблюдение, интервьюирование и анкетирование, беседа, педагогический эксперимент, тестирование;
- методы качественного и количественного анализа экспериментальных данных: статистические методы обработки результатов и интерпретации данных.
Исследование проводилось в 2006–2010 гг. и включало три этапа.
На первом этапе (2006–2007 гг.) определены цель, объект, предмет, гипотеза, задачи исследования; исследовано состояние проблемы в психолого-педагогической, методической литературе и в практике обучения химии; определена методика констатирующего эксперимента; оснащенность кабинетов химии учебным оборудованием, выявлены основные тенденции применения комплекса средств обучения для организации демонстрационного и лабораторного химического эксперимента.
На втором этапе (2007–2009 гг.) произведен отбор химических опытов; разработан и научно обоснован комплекс средств обучения для организации демонстрационного и лабораторного химического эксперимента в сельской школе; предложены методические рекомендации применения данного комплекса; определены направления совершенствования средств обучения для проведения демонстрационного химического эксперимента.
На третьем этапе (2009–2010 гг.) осуществлён формирующий эксперимент; проведена экспериментальная проверка результативности разработанного комплекса в условиях сельской школы при изучении химии; осуществлены анализ и интерпретация результатов экспериментального исследования; сформулированы выводы.
Научная новизна исследования:
- разработаны комплекты приборов, включающие в себя оборудование в необходимом и достаточном количестве, которое позволяет в простой и удобной форме эффективно организовать демонстрационный и лабораторный эксперимент на уроках химии в сельской школе, дифференцировать его, а также дать возможность проводить эксперимент нового поколения;
- разработана техника и методика химического эксперимента нового поколения на основе цифровых образовательных ресурсов, которые позволяют проводить количественные исследовательские опыты, моделировать химические процессы и явления, а также повысить наглядность обучения при работе с небольшими количествами веществ (опыты по изучению влияния температуры на растворимость соли, на нахождение формулы этилового спирта; определению теплового эффекта химической реакции на примере реакции нейтрализации; определению температуры разложения вещества; определению тепловых эффектов возникающих при растворении веществ);
- обоснован и применен принцип конструктивной активности, который позволяет учителю и учащимся, используя комплекс учебного оборудования, осуществлять вариативное и самостоятельное конструирование приборов для проведения химического эксперимента.
Теоретическая значимость исследования состоит в следующем:
- выявлена и научно обоснована необходимость создания комплекса учебного оборудования для эффективной организации химического эксперимента в сельской школе;
- развита теория создания и использования комплексов средств обучения для химического эксперимента в сельской школе: обоснован необходимый и достаточный набор средств обучения для создания комплекса на основе цифровых образовательных ресурсов.
Практическая значимость результатов исследования:
- создан комплекс учебного оборудования для организации химического эксперимента, включающий в себя комплекты для демонстрационного и лабораторного химического эксперимента, который обеспечивает удобство использования учителем и учащимися, позволяет повысить качество обучения химии;
- предложена методика химического эксперимента на основе разработанного комплекса для учителя химии сельской школы.
Положения, выносимые на защиту
- Разработан комплекс учебного оборудования, в составе которого комплекты для демонстрационного и лабораторного эксперимента, включающие компьютерные датчики, унифицированное оборудование в минимально необходимом количестве, карты-инструкции. Комплекс создан и приспособлен к использованию в условиях малой группы на основе системы следующих принципов: наглядности, научности, рациональности, конструктивной активности, экономической эффективности, эргономичности.
- Методика применения комплекса учебного оборудования, разработанного для сельской школы, важной особенностью которого является организация химического эксперимента нового поколения на основе цифровых образовательных ресурсов, способствует развитию творческих способностей учащихся в процессе учебно-познавательной деятельности на уроке и в системе дополнительного образования.
Апробация и внедрение результатов
Основные результаты исследования обсуждались и докладывались на Всероссийской научно-практической конференции химиков с международным участием «Актуальные проблемы модернизации химического и естественнонаучного образования» (г. Санкт-Петербург, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественнонаучного образования» (г. Оренбург, 2009). Внедрение результатов исследования осуществлялось через публикацию статей, методических рекомендаций, проведение опытно-экспериментальной работы в МОУ «Фоминичская средняя общеобразовательная школа» Кировского района Калужской области, и участие в создании программного продукта для проведения химического эксперимента с компьютерными датчиками, апробацию разработанных программ в условиях школы.
По результатам исследования опубликовано 10 работ (общим объемом 3 п.л., личный вклад автора 1.5 п.л.), в том числе 3 (0,55. п.л., личный вклад автора) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Работа состоит из введения, трёх глав, выводов, заключения, списка литературы и приложений. Объём диссертации составляет 144 страницы, с учётом литературы и приложений –200 страниц. В диссертации представлены: таблиц – 27, рисунков – 38, диаграмм – 3. Список литературы включает 199 источников, в т.ч. 10 иностранных.
Основное содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы, определены объект, предмет, сформулированы цель, гипотеза, задачи исследования; определены методологические основы и методы; раскрыта научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования; приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние школьного химического образования и основные тенденции применения учебного оборудования для химического эксперимента» проведен анализ школьного химического образования, представленный в литературе и практике работы школ, который показал состояние учебно-материальной базы и проблемы преподавания химии в сельской школе. Очевидно, что наиболее слабо организованной составляющей образовательного процесса является химический эксперимент.
Сельские школы составляют примерно 70% от общего числа общеобразовательных учреждений, расположенных на территории Российской Федерации (А.К. Лукина). Они занимают особое место в решении образовательных задач молодежи, так как являются центром интеллектуальной и культурной жизни села. Сельские школы в нашей стране, как правило, являются малочисленными. Для них характерна низкая наполняемость классов (1-12 учеников), многопредметность в работе учителя (один учитель ведет несколько предметов), совмещенность кабинетов, отсутствие должного контроля со стороны родителей, слабая материально-техническая база школ.
Рис. 1. Особенности сельской школы
Учебно-материальная база кабинетов химии сельских школ недостаточно укомплектована. Это приводит к уменьшению количества проводимых на уроке химических опытов, что связано с замещением его функций другими средствами обучения. Кабинеты химии укомплектованы оборудованием, которое было разработано для городской школы. Поэтому затраты на проведение эксперимента в сельской школе в несколько раз выше, чем в городской. По нашим данным, кабинеты химии многих сельских школ хорошо оснащены современными техническими средствами обучения. Сейчас почти в каждой школе присутствует компьютер, есть доступ в Интернет, телевизор с видеомагнитофоном или DVD-проигрывателем. Однако в сельской школе эти современные технологии недостаточно используются учителями в силу их низкой компьютерной грамотности и отсутствия методических разработок. Важной особенностью применения учебного оборудования является его комплексное использование. Именно при комплексном использовании средств обучения происходит взаимное усиление эффекта их применения, что способствует формированию целостных дидактических образов.
Под комплексом учебного оборудования мы понимаем оптимальное множество взаимосвязанных между собой средств обучения (компонентов), необходимых для изучения данного вопроса программы.
Комплект представляет собой множество средств обучения, необходимое и достаточное для формирования урочных, тематических и общекурсовых комплексов.
В настоящее время мы не обнаружили в литературе какой-либо специфики комплексного использования средств обучения в сельской школе. Мы определяли эффективность учебного оборудования, применяемого в сельской школе для проведения демонстрационных опытов по критериям безопасности, эргономичности и универсальности. Проведённый анализ позволил установить, что не все приборы могут эффективно быть использованы на уроке химии. Так, например, по данным Т.С. Назаровой комплект для проецирования опытов на экран является устаревшим, и его функциональных возможностей явно недостаточно для применения на уроке. Комплект для демонстрационных опытов в сельской школе является достаточно громоздким, поэтому его применение также ограничено. Набор по электрохимии вовсе не отвечает требованиям техники безопасности и эргономичности (Табл. 1).
Таблица 1.
Анализ комплектов демонстрационных приборов.
| Комплект оборудования | Критерии оценки | ||
| Безопасность | Эргономичность | Универсальность | |
| Набор для демонстрационных опытов по электрохимии (НЭД) | - | - | + |
| Комплект демонстрационных опытов универсальный (КДОХУ) | + | - | - |
| Комплект для проецирования опытов на экран | + | - | + |
Среди предлагаемых промышленностью комплектов для проведения лабораторного химического эксперимента можно выделить следующие, применяемые в школах. Микролаборатория для учащихся включает в себя набор реактивов (НПР-М) и набор принадлежностей для работы с малыми количествами реактивов (НПМ-М); набор-укладку раздаточного материала по химии (НРМХ); наборы посуды и принадлежностей для лабораторных опытов по химии (НПХЛ); набор по электрохимии (НЭХ); набор химической посуды и принадлежностей для лабораторных опытов. Комплекты для лабораторных работ (ЭХБ); комплект практикум по экологии (КПЭ); набор для тонкослойной хроматографии представляют собой скорее переносные лаборатории, с помощью которых можно проводить исследования химического состава окружающей среды, как в классе, так и в полевых условиях.
Анализ школьных программ и учебников по химии позволяет нам констатировать, что в основном учебный химический эксперимент служит иллюстрацией химических процессов, а проблемно-исследовательские эксперименты используются в незначительной степени. Количественные опыты не имеют должной реализации ни в базовом, ни в профильном курсах. Между тем, овладение физическими методами исследования важно с самого начала обучения химии как необходимое условие развития умений и навыков химического экспериментирования с введением количественных расчетов на основе данных опытного исследования (Т.С. Назарова). В связи с этим актуальна проблема пересмотра существующей тематики лабораторных опытов, практических работ и особенно практикумов в старших классах, а также методического сопровождения различных видов эксперимента в плане его проблемно-исследовательской постановки и инструментальной поддержки (Рис. 2).
Рис. 2. Направления разработки комплекса учебного оборудования
Возможность проведения количественных опытов с использованием цифровых лабораторий нам представляется наиболее эффективной. В настоящее время в школу поставляются преимущественно следующие цифровые лаборатории: «Архимед» производство компании Fourier Systems, «L-микро», «AFS». Цифровая лаборатория представляет собой набор датчиков, соединённых через измерительный блок с компьютером. Важной особенностью цифровых лабораторий является сочетание натурного (реального) химического эксперимента с компьютерным моделированием. Результаты эксперимента могут сохраняться в реальном времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью. Однако в связи с их высокой стоимостью и неготовностью учителя работать с ними, эксперимент на данном оборудовании является эксклюзивным.
Во второй главе «Требования к созданию комплекса учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе» рассмотрены принципы и требования, которыми мы руководствовались при создании комплекса учебного оборудования. Ведущими принципами являются: наглядность, научность, рациональность, эргономичность, конструктивная активность, экономическая эффективность (Рис. 3).
Рис. 3. Принципы и требования к проектированию комплекса
Кратко остановимся на характеристике принципов и требований к проектированию комплекса. Основным является принцип рациональности, под которым мы, вслед за С.А. Волковой, понимаем систему существующих стандартов, норм, алгоритмов, эталонов. Этот принцип реализуется нами в отборе содержания средств, которые являются достаточными и необходимыми для изучения материала с достижением оптимального результата. Реализация принципа наглядности в сельской школе связана с требованиями компактности, минимизации и унификации, т.к. обучение происходит в условиях малой группы. Требование компактности и минимизации определяется необходимостью отбора оборудования небольшого объёма, в котором будут отсутствовать «лишние» детали. Изучение техники проведения опытов позволило определить, какое оборудование является универсальным и минимально необходимым для проведения эксперимента. Например, набор «Колбы» позволяет использовать одно и то же оборудование в процессе обучения. В сельской школе достаточно иметь в своём распоряжении колбу Вюрца на 50 мл, две плоскодонные колбы (150 мл), две круглодонные колбы (100 мл) и одну коническую на 100 мл. Кроме того, эксперименты, проводимые в сосудах малого объема, являются более безопасными. Под требованием безопасности мы понимаем возможность проведения опытов без нанесения какого-либо вреда здоровью окружающих. Требование унификации определяет возможность проведения нескольких различных экспериментов с использованием одного и того же прибора либо оборудования. Например, для получения водорода, углекислого газа, хлора, ацетилена достаточно иметь лабораторный прибор ППГ-3. Поэтому в лабораторный набор достаточно включить единственный экземпляр прибора. Принцип научности предполагает соответствие содержания обучения, методики использования средств обучения и их комплексов современному уровню развития науки. С этим принципом тесно связано требование инструментальности, под которым мы понимаем использование в процессе обучения инструментальных методов изучения объектов. Введение измерительных компьютерных датчиков позволяет увеличить число количественных и исследовательских экспериментов. Например, работа по изучению строения пламени предполагает лишь качественное знакомство учащихся с температурными зонами. Значения температурных зон пламени можно определить, используя справочные данные. В сельской школе отсутствуют измерительные приборы, которые могли бы измерить температуру 1000 С. Использование датчика температуры позволяет выполнить эту работу также экспериментальным путем: определить температуру разных зон пламени. Принцип экономической эффективности предполагает использование в обучении оборудования с невысокой, где это возможно, себестоимостью и связан с требованиями минимизации. Под принципом конструктивной активности мы понимаем возможность учителя и учащихся производить сборку приборов для проведения эксперимента, используя разработанный комплекс. Этот принцип тесно связан с требованием простоты. Требование простоты предполагает отбор такого оборудования, которое позволяет собирать и проводить опыты в несложных установках, доступных для монтажа учителю и учащимся. Используя узлы, составляющие наш комплекс, ученик может самостоятельно собрать простой прибор, необходимый для проведения эксперимента. Нет необходимости приобретать сложный и дорогой прибор. С помощью разработанного нами комплекса можно собрать следующие приборы: для получения водорода, кислорода, галогеналканов, метана, ацетилена, изучения скоростей химических реакций и др. Рассмотренные требования реализуются при отборе оборудования в процессе формирования комплексов для лабораторного и демонстрационного эксперимента.
Рассмотрим пример комплекса средств обучения по теме «Вода. Растворы». В теме наряду с углублением первоначальных химических понятий имеет место широкое использование межпредметных связей с физикой, биологией, географией; связь обучения с практикой. Приведём содержание и методику изучения воды как растворителя и процесса растворения (Табл. 2).
Таблица 2.
Комплекс средств обучения по теме: «Вода. Растворы».
| Содержание изучаемого вопроса | Эксперимент | Учебное оборудование |
| Вода, как растворитель. Способы очистки воды. Понятие о растворении. Растворимость веществ. Насыщенные и ненасыщенные растворы. Факторы, влияющие на растворимость. Кривые растворимости. Приготовление растворов. Тепловые и объемные эффекты, возникающие при растворении веществ. | Демонстрационные опыты: демонстрация зависимости растворения веществ от температуры (построение кривых растворимости), приготовление насыщенных растворов. Лабораторные опыты: очистка воды перегонкой, растворение твердых веществ в воде, изменение их растворимости при различных температурах. приготовление растворов. Работа с таблицей. | Датчик температуры, химический стакан – 100 мл, пробирка ПХ-21, штатив ШЛБ, пробирка ПХ-14, пробка с газоотводной трубкой, ступка - №1, спиртовка, прокладка огнезащитная, весы, мерная колба. Таблица «Кривые растворимости различных солей», учебный фильм «Растворы», «Первоначальные химические понятия». Реактивы: нитрат калия, хлорид натрия, кристаллы медного купороса, мел. |
В начале изучения темы рассматриваем воду как универсальный растворитель. Учащиеся проводят лабораторный опыт по очистке воды перегонкой, используя для этого Г-образную газоотводную трубку, пробку ПХ-14, спиртовку. Далее изучаем влияние факторов на растворимость веществ в воде. Методика опыта следующая. Учитель предлагает учащимся насыпать в пробирку порошок медного купороса и добавить к нему дистиллированную воду. Они наблюдают, что процесс растворения протекает достаточно медленно. Логика эксперимента приводит учащихся к ответу на вопрос о том, как же ускорить процесс растворения веществ в воде. Далее учащимся предлагают выполнить опыт по растворению крупных кристаллов соли. Для объяснения наблюдаемого демонстрируем учащимся кадры из кинофильма «Первоначальные химические понятия (Химия-8)», в котором дается объяснение механизма процесса растворения веществ.
Используем датчик температуры для изучения зависимости растворимости веществ от температуры при демонстрации опыта: «Влияние температуры на растворимость». В качестве исследуемых веществ берём соли с различной растворимостью (хлорид натрия и нитрат калия). В пробирку ПХ-21 с 10 мл дистиллированной воды помещаем навеску соли массой 4 г, содержимое пробирки нагреваем на водяной бане. После полного растворения измеряем температуру раствора. Несколько раз добавляем взятую навеску соли в пробирку и после полного растворения каждый раз фиксируем температуру. Результатом опыта является график зависимости массы растворенной соли от температуры «Кривые растворимости». Учащимся предлагаем ответить на вопросы: 1. Какие факторы влияют на процесс растворимости солей? 2. Растворимость каких веществ в результате нагревания не возрастает или практически не меняется? 3. У каких веществ растворимость при нагревании понижается? 4. Есть ли ограничения растворимости веществ в определенном объёме воды? Методически важно объяснить расхождение теоретических и эмпирически полученных данных. Для выяснения растворимости газообразных веществ учащиеся проводят лабораторный опыт по нагреванию холодной воды в пробирке. На основе данных опыта они отвечают на вопросы: 1. Что произошло при нагревании воды? 2. При каких условиях растворимость газов уменьшается? 3. При каких условиях растворимость газов увеличивается? Обобщение сведений о растворимости твердых, жидких и газообразных веществ проводим с использованием фильма «Растворы».
В третьей главе «Условия эффективного использования комплекса средств обучения для организации химического эксперимента в сельской школе» представлены состав и структура комплекса средств обучения для организации химического эксперимента. В состав комплекса вошли комплекты для организации демонстрационного и лабораторного химического эксперимента. Для демонстрационного химического эксперимента разработано 8 наборов: «Перегонка», «Электрохимия», «Воронки», «Колбы», «Измерительная посуда», «Узлы», «Стеклянные трубки», «Работа с газообразными веществами» и набор для лабораторного эксперимента, оборудование которого размещено в двух лотках. В первый лоток включено универсальное по содержанию оборудование, которое может быть использовано фактически при выполнении любого лабораторного опыта, а во второй – реже используемое. Например, в состав набора «Перегонка» входят: колба Вюрца на 50 мл, холодильник Либиха, палочка стеклянная, стекло предметное, колба коническая (100 мл), термометр.
Предлагаем методику применения разработанного нами комплекса учебного оборудования при изучении основных классов неорганических веществ. Для исследования свойств кислот и оснований проводим лабораторный опыт по определению реакции среды в их растворах с помощью индикатора. Затем предлагаем учащимся изменить условия опыта и в качестве пробы взять растворы тех же веществ, подкрашенных тушью. Проводим аналогичный эксперимент и убеждаемся, что определить среду в предложенных окрашенных растворах невозможно. Формулируем познавательную задачу: определите реакцию среды в окрашенных растворах кислоты и щёлочи. Поясняем, что в промышленности чаще всего имеют дело с растворами, окрашенными и загрязненными примесями. Определить их среду с помощью индикаторов не всегда возможно. Кроме того, интересно показать учащимся количественные характеристики среды раствора (рН). Датчик рН используется для определения рН раствора. Данная познавательная задача и предлагаемая методика развивает творческие ресурсы, эмоциональную сферу, выявляет личностные способности, стимулирует познавательные интересы. Учащиеся работают с одними и теми же приборами, узлами. В результате формируются умения быстро подбирать и использовать учебное оборудование при проведении химического эксперимента.
Экспериментальная проверка предложенного комплекса учебного оборудования и методики его применения на уроках химии проводилась в три этапа: констатирующий, исследовательский и формирующий. Констатирующий этап был направлен на выявление проблемы исследования и состояния учебно-материальной базы кабинета химии сельской школы. На данном этапе был проведен анализ литературы и оснащенности кабинетов химии сельской школы учебным оборудованием, необходимым для проведения химического эксперимента. Исследовательский этап предусматривал формирование требований к комплексу учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе. Используя их, мы произвели отбор необходимого и достаточного количества учебного оборудования для проведения демонстрационного и лабораторного химического эксперимента. На данном этапе мы проанализировали возможности включения в урок демонстрационных опытов с цифровыми лабораториями с целью модернизации традиционных опытов. На основании отобранных экспериментов были разработаны карты-инструкции для учителя и учащихся. Формирующий эксперимент определяется необходимостью определения педагогической эффективности разработанного комплекса учебного оборудования. Для этой цели мы использовали экспертно-балльный метод. Для оценки эффективности комплекса учебного оборудования были выделены 11 критериев. В качестве экспертов мы использовали учителей химии сельских школ, студентов, проходивших педагогическую практику в сельских школах. Эксперты имели возможность использовать разработанный нами комплекс на уроках химии в сельской школе. Затем им предлагалось оценить его по выделенным нами критериям. Результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты анкетирования
| Критерий оценки | Ответы экспертов | |||
| Соответствия нет | Соответствие малое | Соответствие значительное | Соответствие полное | |
| Надежность | 0 | 4 | 22 | 14 |
| Стоимость комплекса | 4 | 9 | 7 | 20 |
| Время проведения опытов | 3 | 2 | 16 | 19 |
| Удобство хранения оборудования | 1 | 3 | 8 | 28 |
| Освоенность | 0 | 6 | 14 | 19 |
| Взаимозаменяемость | 1 | 6 | 18 | 15 |
| Комплексность | 0 | 4 | 19 | 17 |
| Проведение исследовательских работ | 1 | 0 | 16 | 23 |
| Простота использования | 1 | 0 | 16 | 23 |
| Моделирование | 0 | 6 | 13 | 21 |
| Многофункциональность использования | 0 | 2 | 12 | 26 |
| Транспортабельность | 2 | 5 | 16 | 17 |
Обработку данных мы проводили, используя метод факторного анализа в программе STATISTICA. Мы применили метод главных компонент (вращение Varimax normalized). Он позволил нам выделить статистически значимые факторы. Факторный анализ показал, что разработанный комплекс может быть описан 4 факторами с дисперсией 0.7 и факторным весом выше 0.6. Выделенные факторы представлены в таблице 4.
Таблица 4
Статистически значимые факторы
| Критерии оценки | Название фактора |
| Стоимость комплекта, время проведения опытов, взаимозаменяемость, комплексность | Экономическая эффективность |
| Надежность, многофункциональность использования | Универсальность |
| Освоенность комплекса, удобство хранения | Эргономичность |
| Моделирование, проведение исследовательских опытов | Конструктивная активность |
Затем указанные факторы использовались для оценки комплекса. Для определения надежности методики оценки предложенного комплекса мы рассчитали коэффициент альфа-Кронбаха. Этот коэффициент показывает внутреннюю согласованность оценок экспертов. Он может принимать значения от 0 до 1. Если этот коэффициент приближается к нулю, то можно считать, что экспертные оценки не согласованы. В противном случае это говорит о высокой согласованности экспертных оценок. Значения коэффициента альфа-Кронбаха приведены в таблице 4.
Таблица 4.
Значение коэффициента альфа-Кронбаха
| Номер фактора | Фактор | Значение коэффициента альфа-Кронбаха |
| 1 | Экономическая эффективность | 0.85 |
| 2 | Универсальность | 0.58 |
| 3 | Эргономичность | 0.62 |
| 4 | Конструктивная активность | 0.70 |
Под педагогической эффективностью (Э) понимается соотношение между реальными (К1) и предполагаемыми (К2) результатами. Теоретическая эффективность рассчитывается по формуле: К2 = ФБ3, где Ф – число критериев для данного фактора с факторным весом более 0.6, Б – число экспертов, 3 – максимальный балл.
Предполагаемые результаты педагогической эффективности мы определили, исходя из полученных экспертных оценок. Для этого были сложены экспертные оценки по критериям, факторный вес которых больше 0.6. К1=БФ. Полученные данные приведены в таблице 5.
Таблица 5.
Оценка эффективности комплекса
| Фактор | Экспериментальное значение (К1), балл | Теоретическое значение (К2), балл | Эффективность (Э)=К1/К2 |
| Экономическая эффективность | 354 | 480 | 0,74 |
| Универсальность | 194 | 240 | 0,80 |
| Эргономичность | 194 | 240 | 0,80 |
| Конструктивная активность | 186 | 240 | 0,78 |
Проведенный анализ позволил эмпирически оценить выделенные принципы проектирования комплекса, а также определить эффективность его применения. Анализ эмпирически выделенных факторов подтверждает наше предположение о том, что мы выбрали верные принципы проектирования комплекса. Оценка эффективности (0.7-0.8) говорит о том, что учитель химии сельской школы видит необходимость в использовании недорогого оборудования небольших размеров, устройство которого должно быть понятно даже учителю, не имеющему базового химического образования.
Таким образом, педагогический эксперимент показал, что значения экспертных оценок смещены в область положительных значений. Эффективность по каждому выделенному фактору составляет более 0,7, что является достаточно хорошим результатом.
Выводы
- Выявлены основные тенденции использования химического эксперимента в сельской школе: эксперимент на уроках химии, как правило, носит эпизодический, а не системный характер; преобладание демонстрационного эксперимента, в то время как не учтены преимущества лабораторного эксперимента; практически отсутствуют количественные опыты и эксперименты с использованием цифровых лабораторий; отсутствие разработанных комплексов учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе.
- Определены принципы и требования к проектированию, разработке и использованию комплекса учебного оборудования для химического эксперимента в сельской школе. Выделены принципы наглядности, рациональности, научности, эргономичности, конструктивной активности, а также требования простоты, компактности, безопасности, унификации, минимизации, инструментальности.
- Разработан комплекс учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе на основе сочетания традиционных средств обучения и цифровых образовательных ресурсов. Произведена оценка эффективности его применения с использованием экспертно-балльного метода. Эффективность применения комплекса на уроке составляет не менее 70%. Полученные экспериментальные данные показывают необходимость его дальнейшего совершенствования в направлении повышения экономической эффективности.
- Разработаны методические рекомендации для учителей химии малокомплектных сельских школ по использованию комплекса. Они составлены с учетом использования цифровых лабораторий, включающих новые демонстрационные и количественные опыты, адаптацию демонстрационных опытов в лабораторные, проблемные эксперименты.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
1. Волкова С. А., Гусев С. Н. К изучению кристаллогидратов // Химия в школе. – 2009. – № 3. – С. 44 – 49. (0,5 п.л., авторских – 50%).
2. Волкова С. А., Гусев С. Н. Задачи по теме «Кристаллогидраты» // Химия в школе. – 2009. – № 9. – С. 46 – 48. (0,25 п.л., авторских – 50%).
3. Волкова С. А., Гусев С. Н. К использованию цифровой лаборатории // Химия в школе. – 2010. – № 6. – С. 64 – 67. (0,35 п.л., авторских – 50%).
4. Волкова С. А., Гусев С. Н. Виртуальный и натурный химический эксперимент. // Информационные и коммуникативные технологии в образовании : Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Елабуга : Изд-во ЕГПУ, 2008. – С. 94 – 97. (0,35 п.л., авторских – 50%).
5. Волкова С. А., Гусев С. Н. Использование карт-инструкций для организации химического эксперимента. // Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественнонаучного образования». – Оренбург : Изд-во ОГПУ, 2009. – С. 126 – 128. (0,25 п.л., авторских – 50%).
6. Волкова С. А., Гусев С. Н. Демонстрационный химический эксперимент с использованием эвдиометра // Актуальные проблемы химического и естественнонаучного образования : Материалы 56 Всероссийской научно-практической конференции химиков с международным участием, г. Санкт-Петербург, 8 – 11 апреля 2009 года. – СПб. : РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. – С. 42 – 44. (0,25 п.л., авторских – 50%).
7. Гусев С. Н. Применение исследовательского подхода в обучении химии // Актуальные проблемы химии и методики ее преподавания : Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 10 – 12 декабря 2009 года. – Н. Новгород : НГПУ, 2009. – С. 77 – 81. (0,3 п.л., авторских – 50%).
8. Волкова С. А., Гусев С. Н. Химический эксперимент в школе: роль, место, перспективы // Естественно-математическое образование в современной школе : Сборник научных трудов / Под общ. ред. М. А. Шаталова. – Вып. 3. – СПб., 2009. – С. 29 – 32. (0,25 п.л., авторских – 50%).
9. Гусев С. Н., Волкова С. А. Организация химического эксперимента с использованием современных технических средств обучения // Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов: исследование, инновации и технологии : Материалы IV Международной конференции (г. Астрахань, 20 – 22 апреля 2010 г.). – Астрахань : Астраханский университет, 2010. – С. 321 – 322. (0,25 п.л., авторских – 50%).
10. Гусев С. Н. Разработка комплекса учебного оборудования для организации химического эксперимента в сельской школе // Актуальные проблемы химического и экологического образования : Материалы 58 Всероссийской научно-практической конференции химиков с международным участием, г. Санкт-Петербург, 18 – 21 мая 2011 года. – СПб. : РГПУ им. А.И. Герцена, 2011. – С.89-92. (0,25 п.л., авторских – 100%).
