Таблицы и их использование в химии

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью любого учебного процесса являются таблицы. С их помощью учитель демонстрирует часть материала на занятии, проводит контроль знаний и умений учащихся. Каждый учитель знает, что существует огромное множество вариантов применения таблиц на уроке.

Каждый день в течение всей жизни мы постоянно работаем с таблицами. Естественно, что мы учили таблицу умножения, затем оценили удобство оформления результатов сравнения, наблюдения в виде таблиц, а в современном мире всё большее распространение получают электронные таблицы, любой из нас работал или работает с табличным редактором MS Excel.

Глава 1. Таблицы учебные

Согласно Ожегову С.М. [11], таблица - сведения о чём-нибудь, расположенные по графам. Тиражная таблица, таблица умножения - перечень помножаемых друг на друга чисел в пределах первого десятка, с произведением от каждой пары. Как таблицу умножения знать что-либо (назубок).

В педагогике принят другой подход к рассмотрению таблиц. Прежде всего, таблицы относятся к средствам реализации принципа наглядности. Принцип наглядности - один из старейших и важнейших в дидактике - означает, что эффективность обучения зависит от целесообразного привлечения органов чувств к восприятию и переработке учебного материала [15]. Я.А. Коменский дал ему четкую формулировку в своем известном «золотом правиле» дидактики: всё, что возможно, предоставлять для восприятия чувствами: видимое - для восприятия зрением, и т. д. «Нет ничего в интеллекте, чего бы не было прежде в ощущениях» [3], - писал он.

Таблицы учебные - наглядные пособия, содержащие цифры, тексты или графические изображения, иллюстрирующие темы и разделы учебных предметов. Различают Т. иллюстративные, графические, цифровые, текстовые и смешанные [5].

Иллюстративные Т. состоят из ряда отдельных рисунков, небольших картинок, портретов и др. изображений, сопровождаемых кратким пояснительным текстом. С их помощью может быть показано последовательное развитие какого-либо предмета, явления, процесса, взаимосвязь и соотношение предметов и явлений, группировка их по какому-либо признаку или принципу (напр., «Вещества количеством 1 моль» из серии иллюстративных таблиц для логических упражнений).

Графические Т. содержат схемы, чертежи, схематические рисунки, диаграммы, сопровождаемые кратким текстовым или цифровым материалом (напр., таблица «Схема промышленной установки для получения ацетилена из метана», «Использование азотной кислоты»).

Цифровые Т. состоят преимущественно из цифрового материала, иногда сопровождаемого небольшими рисунками или графическими изображениями (Таблица растворимости, таблица относительной электроотрицательности элементов).

Текстовые Т. отличаются преобладанием текстового материала сопровождаемого в тех случаях, когда это необходимо, небольшими рисунками или вспомогательными графическими знакаками -- стрелками, дугами, линиями и др. («Происхождение и история развития значения важнейших химических терминов» [6], «Правила безопасности для кабинетов (лабораторий) химии общеобразовательных школ» [7]).

Смешанные Т. представляют собой сочетание иллюстративного, графического, цифрового или текстового материала (всех четырех видов или только нек-рых из них) в более или менее равной пропорции.

По основному назначению Т.у. условно можно подразделить на познавательные, инструктивные, справочные и тренировочные (для упражнений).

Познавательные Т. Содержат преимущественно новые сведения или материал углубляющий и дополняющие имеющиеся у учащихся знания («Химический состав и цвет солей 3d- элементов» [8], «Биологическая роль металлов и их токсическое действие» [9] и т.п.).

Инструктивные Т. предназначаются для инструктажа уч-ся при выполнении ими какой- либо практической работы, для закрепления умений и навыков практического характера. В этих Т. помещаются краткие указания, инструктивные рисунки, чертежи и др. данные, которые требуются для выполнения работы определённую тему. Они имеют наибольшее применение трудовом обучении («Прибор для получения этилена» и др.).

Справочные Т. дают сведения, уже известные учащимся и облегчающие выполнение определённых учебных работ (Т. хронологические, периодической системы Д.И. Менделеева и т.п.).

Т. для упражнений имеют тренировочный характер. Они помогают закреплению приобретаемых учащимися знаний. (Т. для записи результатов практических работ).

Построение Т. довольно разнообразно. Так, например, для цифровых и текстовых таблиц характерно расположение материала колонками, столбиками, в вертикальных и горизонтальных графах, клетчатой сетке и т.п. Такая форма расположения материала называется табличной.

Глава 2. Таблицы по химии

Касательно методики обучения химии, Грабецкий А.А. [1] выделяет учебные таблицы из средств на печатной основе, то есть из материальных моделей. Наиболее распространенные в школах средства обучения включают учебные таблицы, содержащие систематизированные числовые или другие данные по основополагающим вопросам курса химии, химическим производствам, применению веществ в жизни человека; справочные и инструктивные данные, в том числе используемые при выполнении химических экспериментов. Учебные таблицы так же служат для наглядного изображения взаимосвязи между предметами и явлениями, например: связь между различными классами химических соединений (неорганических и органических); связь между химическими элементами и их соединениями и др.

По дидактическому назначению таблицы можно подразделить на пособия для формирования основных понятий, законов и теорий химии, представлений о важнейших свойствах веществ; умений и навыков химического эксперимента (инструктивные); представлений о химических производствах; для решения задач [2].

По характеру предъявления их учащимся различают таблицы для работы со всем классом в течение всего учебного года или полного курса химии- таблицы постоянного использования (Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева, таблица растворимости солей в воде), в течение нескольких месяцев, недель или одного урока - таблицы эпизодического использования.

Таблицы могут быть представлены в окончательном виде или быть сборными - динамическими. Последние требуют от учителя или учащихся целенаправленных действий для воссоздания изучаемого явления, процесса в целом (динамическая модель для демонстрации процесса диссоциации веществ).

Таблицы, используемые в одной или нескольких темах курса химии, например инструктивные таблицы, таблицы по строению атома, то есть демонстрируемые эпизодически, затем длительное время могут экспонироваться в кабинете химии. Таким образом, информация, представленная ими лучше воспринимается учащимися.

Все таблицы по способу их использования на уроке можно разделить на раздаточные и демонстрационные. Раздаточные т. служат для индивидуальной работы учащихся. Демонстрационные т. применяют для работы со всем классом. Некоторые т. используются в течение изучения всего курса химии или в течение урока, другие- при изучении одной или нескольких тем программы (табл.1).

Достоинство любой таблицы определяется прежде всего скоростью и точностью восприятия учащимися её основного содержания.

Изучение обеспечения школ учебными таблицами по химии в Москве, Челябинске, Ашхабаде, Небит-Даге показало, что, как правило, в химических кабинетах нет полного комплекта необходимых таблиц и учителя вынуждены пользоваться самодельными таблицами [12]. Самодельные таблицы в большинстве случаев плохо скомпонованы, перегружены материалом. Содержат большое количество надписей. Всё это приводит к тому, что многие такие таблицы, хотя и содержат материал, не наглядны, трудно воспринимаются учащимися.

Самая главная таблица на уроке химии - Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Все известные формы периодической системы можно свести к двум типам: геометрические (графические) и клеточные. Известно, что первая попытка графического изображения классификации элементов принадлежит Гинрихсу (1856 г.). В настоящее время известно свыше 60 геометрических форм периодической системы [13]. Наиболее распространённой является спиральная со следующими разновидностями:

· Плосткостные (Баумгауэр, Стоней, Эрдман, Жанет, Кларк)

· Эксцентрические (Гиббс, Шалтенбранд, Эммерсон)

· Пространственные (Крукс, Содди, Райс)

· Пирамидальные (Шпринг)

· Сочленённые (Ноддер, Кипп).

Из различных форм отмечу: круговые (Виик, Ридберг, Грин и Джексон, Шееле), цилиндрические (де Шанкуртуа, Ширмайзен, Гаркинс и Холл), Гиперболоидные (В.Я. Курбатов), с использованием тригонометрических функций (Ф. Флавицкий), шарообразные (Фриенд) и др.

Сам же Д.И. Менделеев в своих работах периодическую систему изображал в трёх клеточных вариантах: коротком, полудлинном и длинном. Это зависело от того, какой из периодов системы взять за основу: короткий, полудлинный и длинный.

Короткий (8-клеточный) вариант системы впервые использовал Ньюлендс, основываясь на законе октав. Свои варианты восимиклеточной формы периодической системы предложили Н. Нечаев, Браунер, Баур, Мэн-Смит, Ф. Шмякин, С Щукарев и др.

Полудлинную (18-клеточную) форму системы предложил впервые Д.И. Менделеев, взяв в основание четвёртый или пятый период, состоящий из 18 элементов. Известны смешанные варианты таблиц, в которых малые периоды строятся на основе 8-клеточной формы, а все последующие - на основе 18-клеточной формы. Например, к ним относятся варианты Ричардса, Адамса, Мэргери, А. Антипова, Б.В. Некрасова и др.

Длиннопериодные (32-клеточные) формы системы являются отображением естественной систематики всех четырёх (s-, p-, d- и f-) элементов. Весомый вклад по данному направлению внесли работы Бэйли, Бассета, Томсена, Старека, Бора-Томсена, Вернера, Жаннета и др.

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТАБЛИЦ при обобщении знаний

Одно- и двухвалентным металлам соответствуют основные оксиды. Одно- и двухвалентным неметаллам нередко соответствуют безразличные оксиды. Предлагаем учащимся составить формулы оксидов одно- и двухвалентных элементов: лития, магния, кальция, железа(П), меди(П), азота(Н), углерода !); назвать оксиды, указать их классы; привести примеры оснований, отвечающих основным оксидам.

Как металлы, так и неметаллы с валентностью IV-VII часто образуют кислотные оксиды. Предлагается составить формулы оксидов элементов: серы(1У), углерода(ГУ), фосфора(У), серы(У1), хрома(У1), хлора(УН), марганца(У11); назвать оксиды, указать их классы, привести примеры гидроксидов -- кислот, им соответствующих. Подписывают под формулами кислотных оксидов формулы кислот.

Обращают внимание учащихся на то, что металлы и только металлы, обладающие валентностью в пределах II-IV, часто дают оксиды с двойственной функцией. Такие оксиды в одних условиях ведут себя как основные, в других -- как кислотные. Проводят параллель между понятием об оксидах с двойственной функцией и понятием земноводных, амфибий, обитающих и в воде, и на суше. Поясняют, что такие оксиды вследствие двойственности свойств получили название «амфотерные». Предлагают учащимся запомнить знаки и валентности некоторых металлов, образующих амфотерные оксиды: 2п(П), А1(Ш), Сг(Ш). Затем учащиеся составляют формулы, дают названия амфотерным оксидам, выводят формулы гидроксидов, соответствующих оксидам, а по ним -- формулы кислот, отвечающих этим же оксидам.

Предлагают учащимся дать определения основных, кислотных, амфотерных, безразличных оксидов, пользуясь несколькими признаками: а) вид элемента и его валентность; б) характер свойств гидроксида, который можно прямо или косвенно получить из оксида.

Далее начинают рассматривать первое химической свойство, общее для части основных и кислотных оксидов, -- взаимодействие с водой. В третьей колонке табл. 1 укрепляем в строках, соответствующих основным и кислотным оксидам, значок «±», так как некоторые из основных и кислотных оксидов взаимодействуют с водой, а другие не обладают этим свойством.

Демонстрируют опыт. Берем оксиды лития, кальция, меди(П), кремния в равных, зафиксированных восковым карандашом на стенках пробирок объемах, приливаем одинаковые объемы воды, закрываем пробирки пробками, встряхиваем, оставляем смеси отстаиваться. Берем колбу, в которой на ложечке сжигаем фосфор. После заполнения ее белым дымом приливаем такой же, как и в предыдущих случаях, объем воды, встряхиваем. Приливаем равное число капель раствора лакмуса в пробирки и колбу, обнаруживаем продукты. Делаем выводы о числе продуктов, их составе, типе реакции.

Затем систематизируют свойства основных оксидов. Учащиеся вспоминают, реагируют ли они с кислотами, щелочами (растворимыми основаниями). Обращают внимание, что основные оксиды не реагируют с веществами, сходными с ними по характеру свойств: с другими основными оксидами и основаниями. И наоборот, оксиды реагируют с веществами, проявляющими противоположные свойства. Ставим соответствующие знаки в табл. 1.

Предлагаем учащимся дописать уравнения реакций:

Уравнения а я б подтверждается экспериментом. Обращают внимание учащихся на то, что реакции основных оксидов с кислотами часто идут без нагревания, нагревание ускоряет их. Реакции сопровождаются уменьшением массы твердого основного оксида, растворением его, нередко изменением цвета раствора из-за появления окрашенной соли. Реакции же основных оксидов с кислотными оксидами во многих случаях требуют нагревания, например реакции в и г -- сплавления веществ.

Внимание школьников заостряется на сходстве продуктов реакций основных оксидов с кислотой и кислотным оксидом (получается соль) и различии (в первом случае образуется еще и вода; первая реакция обмена, вторая -- соединения).

После этого систематизируют свойства кислотных оксидов. Учащиеся сами ставят знаки <+» для их реакций со щелочами и основными оксидами. Кислотные оксиды, как и основные, не реагируют с веществами, сходными с ними по характеру свойств: с кислотами, другими кислотными оксидами.

Демонстрируют реакцию между твердым гидроксидом калия и заранее собранным в демонстрационную пробирку углекислым газом. О вступлении газа в реакцию учащиеся судят по уменьшению его объема в реакционной пробирке, которая закрыта пробкой с газоотводной трубкой, опущенной в подкрашенную воду. Об уменьшении объема свидетельствует подъем воды в этой трубке. Об образовании воды в ходе реакции можно судить по прилипанию гранул едкого кали к стенкам пробирки, об образовании еще одного нового продукта -- по изменению поверхности гранул. Учащиеся указывают класс веществ, к которому принадлежит второй продукт -- соль, называют ее, расставляют коэффициенты в уравнении реакции, определяют тип реакции.

Опять обращают внимание на сходство и различие продуктов двух реакций кислотных оксидов: со щелочью и основным оксидом.

Далее сравниваем свойства кислотных оксидов со свойствами основных. Рассматриваем знаки во второй и четвертой строках табл. 1. Переходим к выяснению свойств амфотерных оксидов. Оправдывая свое наименование, они вступают в реакции с теми веществами, с которыми взаимодействуют и кислотные, и основные оксиды. Часто эти реакции идут при сплавлении. Ставим четыре знака + в 4-7-й колонках табл. 1. А вот с водой амфотерные оксиды, как некоторые основные и некоторые кислотные, не реагируют (знак«-»).

Учащимся предлагается указать свойства, общие для амфотерных и основных оксидов, амфотерных и кислотных оксидов. Учащиеся дописывают уравнения реакций:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ

Цели урока: обобщить в сравнении свойства кислот и оснований, расширить круг известных учащимся свойств, выделить общие и сходные свойства веществ этих классов и особые.

На данном уроке используем сдвоенную табл. 2 (также приведена в заполненном виде).

До урока в этой таблице были заполнены первая колонка и первая и четвертая строки. Как видно, реагенты вверху и внизу в одних и тех же колонках не всегда совпадают. Середину таблицы заполняем по ходу урока -- вставляем квадратики из плотной бумаги с надписями в горизонтальные прорези одиннадцати клеток.

Обобщение ведем последовательно, по колонкам.

Выясняем, характерна ли реакция с индикаторами для кислот и оснований. Отмечаем, что это общее свойство веществ данных классов, только результат их действия на индикаторы разный. В девяти пробирках демонстрируем на фоне экрана с подсветкой цвет трех индикаторов (лакмус, метиловый оранжевый, фенолфталеин) в разных средах. Предлагаем идентифицировать индикаторы в нейтральной среде, описать действие на индикаторы кислот, а затем щелочей. Вставляем в прорези табл. 2 карточки с сокращенными названиями и окраской индикаторов.

Предлагаем учащимся вспомнить, действуют ли основания на кислоты, а кислоты -- на основания, во всех ли случаях возможны реакции. Это второе сходство в их свойствах. Подчеркиваем, что взаимодействие основания с кислотой и кислоты с основанием -- это одна реакция, с одними и теми же продуктами. Заполняем соответствующие клетки табл. 2. Учащиеся называют тип реакции, уточняют, какими частицами обмениваются эти вещества, дают частное название реакции.

Учащиеся по указаниям учителя демонстрируют реакции нейтрализации.

Опыт 1. В качестве растворимого основания возьми гидроксид калия. Какова его формула? Как доказать, что в колбе раствор щелочи? Сделай это, взяв фенолфталеин. Возьми серную кислоту. Какова ее формула? Сколько кислоты следует прилить к раствору щелочи? Набери в пипетку раствор кислоты. По каплям добавляй ее в колбу. После приливания каждой капли содержимое колбы перемешивай. Стал ли нейтральным раствор в колбе? Какое вещество образовалось? Запиши формулы исходных веществ. Укажи стрелочками частицы, поменявшиеся местами. Запиши формулу воды. Уточни состав соли, валентность ее составных частей, их число, название соли. Расставь коэффициенты, начиная с формулы соли. Запиши название реакции и соли.

Опыт 2. Докажи, что и нерастворимые основания вступают в реакцию с растворами кислот. Возьми для опыта гидроксид железа(11Г) и соляную кислоту. По какому признаку можно будет судить, что реакция произошла? Посмотри в таблицу растворимости. Если осадок не полностью исчезнет, подогрей смесь веществ до полного растворения. Далее опиши проделанное по ранее приведенному плану.

Затем предлагаем учащимся вспомнить отношение оснований и кислот к оксидам. Отмечаем, что и те и другие вступают в реакцию с веществами, противоположными по свойствам. Обращаем внимание, что это третье сходство в свойствах оснований и кислот. Эти реакции сопровождаются образованием соли и воды.

Демонстрируем взаимодействие раствора гидроксида кальция с оксидом фосфора(У), получаемым при сжигании фосфора над поверхностью известковой воды, налитой в колбу. Предварительно предлагаем школьникам предположить состав получающейся соли, выяснить по таблице ее растворимость, назвать признаки ожидаемой реакции.

Всюду наблюдается выделение паров воды и
образование твердых остатков уменьшенного объема -- оксидов черного, серо-зеленого, почти бесцветного. Каждый учащийся записывает уравнение проделанной реакции, название оксида и тип реакции.

Уточняется, что реакции между растворами оснований и солей идут тогда, когда выпадает в осадок новая соль или новое основание. Аналогично протекают реакции между растворами кислот и солей. Для взаимодействия кислот с солями есть и другие условия: получающаяся кислота разлагается на составные части, уходит из сферы реакции в виде газа. Если же идет реакция между безводной кислотой и твердой солью, то она сопровождается образованием летучей кислоты. Обращаем внимание на ряд вытеснения кислот. Каждая предыдущая кислота в этом ряду может вытеснить из солей последующую.

Далее предлагаем учащимся дописать уравнения конкретных реакций, пользуясь таблицей растворимости и вытеснительным рядом кислот, указать причины их протекания:

Проводим реакции, подтверждая истинность предположений. Опыты д, е, ж демонстрирует учитель, остальные -- учащиеся, они работают капельным методом.

В три пробирки помещаем стружку магния, гранулы цинка, кусочки меди. Приливаем в пробирки равные объемы соляной кислоты одной и той же концентрации. Предлагаем учащимся объяснить, пузырьки какого газа прорываются сквозь толщу кислоты. Везде ли протекает реакция? Одинакова ли интенсивность выделения газа? Почему? Спрашиваем, как можно обнаружить соль в первых двух случаях. Составляем уравнения идущих реакций.

В заключение еще раз обращается внимание учащихся на заполненную таблицу, указываем число общих и особых свойств у веществ двух классов, число реакций замещения, обмена, разложения. Называют реакции, протекающие с образованием только солей, с образованием соли и воды, соли и кислоты, соли и основания, соли и водорода, оксидов.

ЛИТЕРАТУРА

Борисов И.Н. «Методика преподавания химии в школе» - М. :Учпедгиз, 1956.-462с.

Дранишникова Л.И. «Об организации исследовательской деятельности одаренных школьников» //Химия в школе.-2008.-№4.-С.2-5.

3. Шилина Л.Я. «О развитии образного мышления учащихся»
//Химия в школе.-2008.-№8.-С. 22-25.

Гаркунов В.П. Совершенствование методов обучения химии в средней школе. - Л.: Изд-во ЛГПИ им. А.И. Герцена, 1974. - 136 с.

Кирюшкин Д.М. «Методы обучения химии в средней школе. Пособие для учителей» - М.: Просвещение, 1968-143с.

Макареня А.А, Обухов В.Л. «Методология химии. Пособие для учителя»- М.: Просвещение, 1985.-160с.

«Сборник научно методических статей по химии»: Вып.П.- М.: Изд-во МПИ, 1989.- 144с.

Сорокин В.В. «Методика обучения химии на основе деятельностной теории учения»- М.: Изд-во МГУ, 1992.-221с.

«Совершенствование содержания и методов обучения химии в средней школе»-под ред. Герцена Л.А., Л.ЛГПИ, 1983.-120с.

Ожерельев Д.И. «Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии» - М.: Высшая школа, 1982.-168с.