Роль эксперимента в изучении химических дисциплин

Наблюдение как метод исследования дает возможность изучить лишь внешние признаки явлений и предметов. Более глубокие знания о сущности явлений и свойствах предметов могут быть получены с помощью экспериментального и теоретического методов исследования.

На экспериментальном уровне идет процесс накопления фактов, информации об исследуемых явлениях, проводятся наблюдения, измерения, сравнения, ставятся эксперименты, формируются и вводятся в научный обиход понятия, производится первичная систематизация знаний и формируются экспериментальные законы.

На теоретическом уровне достигается высший синтез знаний в форме научной теории. Основоположник отечественной науки М. В. Ломоносов отмечал: «Опыт ценнее тысячи мнений, рожденных воображением», а академик Л. Д. Ландау говорил: «Опыт – верховный судья теории».

Под экспериментом понимают научно поставленный опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом и воссоздать его каждый раз при повторении тех же условий.

Экспериментальный опыт дает возможность установить причинно-следственные связи между явлениями, а также между величинами, характеризующими свойства тел и явлений. Он дает возможность выяснить кинетику, динамику  процессов и их энергетическую сущность.

Академик С. И. Вавилов указывал на двойную роль эксперимента: 1) эксперимент доказывает или отвергает какие-либо теоретические положения; 2) эксперимент может стать предпосылкой новой теории или гипотезы, которая должна быть подтверждена новыми экспериментами. Обе стороны эксперимента неразрывно связаны. «Ответ, даваемый опытом, - подчеркивал он, - иногда может быть неожиданным, и тогда опыт становится первоисточником новой теории. Так, например, возникло учение о радиоактивности. В этом самое ценное, эвристическое значение опыта». «Развитие познания, - отмечал известный советский философ П. В. Копнин, - предполагает непрерывное взаимодействие опыта, в частности эксперимента, и теоретического мышления…».

В соответствии с целями и задачами исследования эксперимент может быть количественным или качественным; иллюстративным, демонстрационным, исследовательским; техническим или научным.

Для современного специалиста любой отрасли народного хозяйства важное значение имеет владение методикой эксперимента. Эксперимент является критерием всех теоретических построений. Без экспериментального подтверждения ни одна теория не может долго существовать. Вот почему в среднем профессиональном образовании, повышая теоретический уровень преподавания основ наук, все время уделяется большое внимание различным видам учебного эксперимента, который нетождествен научному, но имеет целый ряд общих с ним черт. Широкое применение эксперимента в преподавании дисциплины способствует формированию у обучающихся правильного понятия об особенностях эксперимента как о методе научного исследования.

Содержанием учебного эксперимента являются:

а) изучение явлений, особенностей их протекания в определенных условиях;

б) изучение причинно-следственных связей между явлениями и функциональной зависимости между величинами, характеризующими явления и свойства тел (например, зависимости температуры кипения от давления);

в) изучение и сравнение свойств вещества в различных состояниях (например, упругости, пластичности);

г) иллюстрация законов, сформулированных на основе опытов или в результате логических умозаключений, опирающихся на общетеоретические положения или метод индукций;

д) определение констант (например, электромеханического эквивалента);

е) изучение и испытание приборов (например, фотэлектроколориметров, потенциометров, хроматографов ).

Структура деятельности по выполнению опытов

Научному эксперименту, как правило, предшествует гипотеза, с помощью которой определяется, что должно произойти при определенных действиях, и на этой основе моделируется содержание (ход) эксперимента и его цель. Когда содержание эксперимента определено, разрабатывается способ (методика) его осуществления. Например, экспериментальному изучению зависимости между давлением и объемом данной массы газа предшествует гипотеза, согласно которой давление газа должно увеличиваться при уменьшении объема газа (что следует из молекулярно-кинетической теории газа).

Из высказанного предположения вытекает содержание опыта: измерение давления газа при изменении его объема, которое также строго учитывается. На постановку опыта накладываются ограничения, т.е. в нем должно быть исключено влияние температуры и массы газа. Отсюда следует вывод: опыт нужно поставить так, чтобы температура и масса газа оставались постоянными. Дальнейшая задача заключается в разработке методики постановки опыта, удовлетворяющей указанным условиям.

Все это, по существу, составляет проектирование эксперимента, т.е. первый этап на пути к его осуществлению. Задача второго этапа заключается в создании материально технических условий, необходимых для непосредственного осуществления эксперимента (приборы, установки, помещение и т. д.). И только теперь, после «наладки» оборудования, может быть поставлен собственно сам эксперимент.

Эксперимент включает наблюдения, измерения и запись их результатов. Но данным этапом эксперимент не завершается. Завершающей частью эксперимента является теоретический анализ и математическая обработка результатов измерений. Конечную цель эксперимента представляют выводы, которые формулируются в результате этой обработки.

Рассмотренные элементы (этапы) научного эксперимента в той или иной мере присутствуют в учебном эксперименте. Чем выше уровень самостоятельности студентов, тем полнее в их эксперименте представлены все его этапы (элементы).

Из рассмотренного следует, что обучение студентов методике эксперимента должно включать формирование умений выполнять следующие действия:

1. самостоятельное формулирование цели опыта;
2. выявление условий, необходимых для постановки опыта;
3. проектирование эксперимента;
4. отбор необходимых приборов и материалов;
5. сборка экспериментальной установки и создание необходимых условий для выполнения опытов;
6. выполнение измерений;
7. проведение наблюдений;
8. фиксирование результатов измерений и наблюдений;
9. математическая обработка результатов измерений;
10. анализ результатов и формулировка выводов.

Методика формирования экспериментальных умений

Обучению методике эксперимента должно предшествовать раскрытие особенностей его содержания и структуры. Разумеется, полнота этого раскрытия на разных этапах обучения будет различной.

Формирование у студентов обобщенного умения самостоятельно ставить опыты так же, как и умения наблюдать, может быть обеспечено при условии согласованной, целенаправленной деятельности преподавателей различных дисциплин. Необходимо формировать у студентов умения выполнять отдельные действия и операции, из которых слагается эксперимент, и раскрывать структуру эксперимента как метода научного познания, роль каждой операции в этой деятельности.

Структура формирования экспериментальных умений по химическим дисциплинам в «Нефтяном техникуме» г. Орска включает 3 этапа:

1. Формирование навыков и умений при изучении химических дисциплин 1 курса;
2. Закрепление их при изучении общепрофессиональных дисциплин, и особенно – на учебных практиках в лабораториях техникума;
3. Практическое использование навыков и умений при изучении специальных дисциплин и курсовом проектировании.

В качестве примера предлагаю рассмотреть лабораторный практикум по химии растворов в курсе физической химии. Этот практикум предназначен для изучения основных физико-химических процессов, происходящих в водных растворах — гидратации, диссоциации, растворения и образования осадков, комплексообразования, окислитель­но-восстановительных реакций и коллоидного состояния вещества.

При создании практикума использовались идеи деятельностной теории обучения. В соответствии с этой теорией предметное содержание каждой из перечисленных выше тем излагается как система задач, в которых приводятся базовые знания и выделяется состав действий, приводящий к решению задачи.

Каждая тема практикума состоит из двух частей: теоретической и экспериментальной. Студенты сначала изучают теоретическую часть темы, а затем выполняют эксперимент и проводят не­обходимые расчеты. При таком обучении происходит соединение его те­оретической и практической частей.

Теоретическая часть представляется студентам в виде лекционного курса

Лабораторные работы по химии, традиционно выполняемые в техникуме, как правило, не требуют от студентов ни решения задач, ни разрешения определенных проблем. Необходимо или измерить какое-либо свойство системы при изменении определенного параметра или воспроизвести химическую реакцию по оговоренной заранее методике. Понятно, что при такой постановке лабораторной работы студентам не приходится разрешать какие-либо проблемы.

В предлагаемом практикуме студенты должны продумать, что необходимо сделать для решения своего задания, т.е. они вовлекаются в исследование.

Указание в каждой лабораторной работе основной цели и задач в рамках заданной темы побуждает студента самому определить, какие ве­щества необходимо взять, в каких электролитах растворится данное соединение и т.п.

В качестве примера рассмотрим экспериментальную часть лабораторного практикума по теме "Состояние равновесия между раствором и осадком". В работе задается цель исследо­вания и предлагается решить три задачи по образованию вещества, его растворимости в растворах различных электролитов и возможности по­лучения из одного вещества другого. Каждый студент получает индивидуальное задание изучить образование и поведение конкретных веществ.

Экспериментальная часть лабораторного практикума (пример)

Цель работы: изучение реакции среды, необходимой для образования и растворения ионного минерала.

Опыт 1. Определение рН образования осадка.

Исходя из имеющихся в лаборатории реактивов, предложите способы получения заданного минерала. Рассчитайте значение ионного произведения для химической реакции.

Проведите экспериментально химическую реакцию получения осадка, измерив предварительно рН исходных растворов и рН образования твердой фазы. Промойте образовавшийся осадок дистиллированной водой; если необходимо, используйте ультрацентрифугу для уплотнения осадка. Измерьте рН насыщенного раствора твердой фазы.

Рассчитайте зависимость растворимости осадка от кислотности раствора. Результаты расчета изобразите графически в логарифмических координатах lg[ ] — рН. Проведите анализ полученной расчетной зависимости и опишите изменение рас­творимости от рН. Сопоставьте результаты расчета с экспериментальными измерениями. Можно ли для вашего минерала оценить его растворимость по величине ПР?

Опыт 2. Свойства полученного соединения.

Исследуйте свойства полученного осадка. Предложите несколько способов его растворения. Проведите предложенные реакции, отметьте происходящие изменения. Запишите уравнения реакций в ионном виде. Объясните, почему протекают эти реакции.

Продумайте, какие условия в природе приводят к образованию данного минерала и его растворению.

Опыт 3- Равновесие между двумя малорастворимыми соединениями.

Возьмите насыщенный раствор над осадком и попытайтесь из него оса­дить малорастворимое соединение другого состава. Запишите процесс в виде уравнения химической реакции и рассчитайте ее константу равновесия.

Формированию познавательной мотивации способствует индивидуальный подход к обучающимся, так как уровень предметной подготовки, интеллектуальное развитие, темп работы у студентов различны. Индивидуальный подход в лабораторном практикуме возможен при многовариантности заданий и определении в каждой теме инвариантного содержания.

Пример приведенного выше лабораторного практикума показывает, что при выполнении темы задается цель исследования, каждый студент получает для эксперимента конкретный образец и исследует зависимость его растворимости от кислотности среды, а также добавления других веществ.

Индивидуальный подход к каждому обучаемому меняет характер познавательной деятельности студентов. Студенты положительно воспринимают этот метод, не профанируют занятия, не отбывают их, а ответственно выполняют свои задания.

После окончания экспериментальных исследований студенты проводят необходимые расчеты, используя стандартные значения химических потенциалов для компонентов выбранного раствора. Сопоставление экспериментальных и рассчитанных значений и анализ получен­ных результатов — самая интересная творческая часть работы. Кроме того, студентам давался только прием решения задачи и использование его каждым относительно своего задания свидетельствует о творческом уровне применения знаний.

Каждый студент после проведения лабораторной работы и необходимых расчетов проводит сопоставление и анализ полученных результатов.

Какие можно сделать выводы по методам мотивации студентов при обучении:

1. Повысить интерес к изучению предмета возможно при изменении содержания обучения. Если при обучении применять деятельностный подход, то метод подачи предметного содержания должен быть не традиционный, а на языке целей задач и умений. Весь материал подается как система взаимосвязанных задач, решая которые студенты непроизвольно овладевают необходимыми знаниями и умениями, не вызубривают материал, а решают интересные практические задачи.
2. Формированию мотивации спо­собствует индивидуальный подход к каждому студенту. Такой подход возможен за счет отыскания в теме ком­плексных инвариантных задач — экспериментальных и расчетных. Инвариантные задачи обобщают многие частные задачи и для их решения предлагается метод. Студент получает задание — эксперименталь­ное и расчетное — в соответствии с его уровнем предметных знаний.
3. Интерес при выполнении зада­ния стимулируется тем, что практикум носит проблемно-исследова­тельский характер. В каждой теме ставятся цели исследования, а такти­ку проведения эксперимента студент избирает сам, а затем сопоставляя расчетные и экспериментальные па­раметры, определяет правильность выполнения задания.

Заключение

Образовательные, воспитательные, развивающие цели в педагогическом процессе достигаются разными способами, и одним из них, наиболее эффективным, является активное познание. В области химии это предполагает работу студентов в процессе  эксперимента различных видов на занятии и вне его. Учебный эксперимент играет огромную роль в изучении, понимании данного предмета, придавая ему наглядность, яркость, возбуждая познавательный интерес и обеспечивая активное включение обучающихся в учебно-познавательный процесс. Данный вид деятельности необходим для реализации триединой цели образовательного процесса.

Химический эксперимент - это не только источник познания, но и средство воспитания студентов. Любое познание начинается с ощущения, восприятия конкретных предметов, явлений. процессов и переходит затем к обобщению и абстрагированию. Научное понятие должно обосновываться практически. Используя различные виды химического эксперимента, преподаватель учит конкретизировать теоретические знания, а студенты, в свою очередь, «наполняют» усвоенные химические понятия живым конкретным содержанием. Химические эксперимент способствует развитию самостоятельности, повышает интерес к химии, так как в процессе его выполнения студенты убеждаются не только в практической значимости такой работы, но и имеют возможность творчески применять свои знания. Велика роль химического эксперимента в развитии мышления и умственной активности студентов, так как ведущую роль в умственном развитии играет теория в единстве с экспериментом.

Список использованных источников

1. Тяглова Е.В. Исследовательская деятельность учащихся по химии. - М. «Глобус». 2007, 224 с.
2. Журнал «Исследовательская деятельность школьников».
3. Новикова Т.Г. Проектирование эксперимента в образовательных системах. – М.: АПКиПРО, 2002.
4. Обухов А.С. Исследовательская деятельность как способ формирования мировоззрения. Народное образование. – 1999.
5. Обухов А.С. Исследовательская деятельность как возможный путь вхождения подростка в пространство культуры. Школьные технологии. – 2001.
6. Развитие исследовательской деятельности учащихся: методический сборник. – М. Народное образование, 2001.
7. Соловьева Н.И. Основы подготовки к научной деятельности и оформление ее результатов. – М.: АПКиПРО, 2001.
8. Управление исследовательской деятельностью педагога и учащегося в современной школе. – М. Сентябрь,1998.
9. Чечель И.Д. Теория и практика организации экспериментальной работы в общеобразовательных учреждениях.. – М. Дом «Новый учебник», 2003.