ВВЕДЕНИЕ

Ничто так не пробуждает дремлющие способности человека, как возможность непосредственного, личного их выявления. Иными словами, без применения в жизни никакое знание не имеет цены и не дает ожидаемых результатов. В экологическом образовании школьников это особенно важно, так как основным критерием сформированное экологической убежденности является способность личности к конкретным конструктивным действиям в области охраны и улучшения природного окружения. Основой таких действий является умение анализировать экологические ситуации, принимать по ним решения, моделировать «отклик» природной среды на природозащитные мероприятия.

Глава 1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧАЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Ничто так не пробуждает дремлющие способности человека, как возможность непосредственного, личного их выявления. Иными словами, без применения в жизни никакое знание не имеет цены и не дает ожидаемых результатов. В экологическом образовании школьников это особенно важно, так как основным критерием сформированное экологической убежденности является способность личности к конкретным конструктивным действиям в области охраны и улучшения природного окружения. Основой таких действий является умение анализировать экологические ситуации, принимать по ним решения, моделировать «отклик» природной среды на природозащитные мероприятия.

Одной из форм организации деятельности учащихся, позволяющей максимально приближать обучение к жизни, является исследовательская работа, в процессе которой учащиеся встречаются со всем многообразием фактов и явлений. Школьники сами или с помощью учителя отбирают нужные им данные из наблюдений, литературных источников, результатов эксперимента.

Исследовательскую деятельность по экологическим проблемам целесообразно включать в учебный процесс только тогда, когда учащиеся достаточно свободно могут ориентироваться в определенной системе знаний, что повышает долю их самостоятельности в выполнении экспериментов.

Исследовательскую работу можно организовать по плану: 1. Анализ содержания учебного, а также экологического материала, рассматриваемого в данной теме курса химии и связанного с ним. 2. Постановка проблемы. 3. Формулирование целей и задач исследования. 4. Планирование эксперимента на основе теоретических и практических знаний и умений (работа с литературными источниками, подбор оборудования, реактивов, объектов). 5. Организация проведения эксперимента (время, место). 6. Наблюдения. Необ-димая корректировка эксперимента. 7. Анализ результатов исследования. Обсуждение. 8. Формулирование выводов. 9. Оформление результатов работы. 10. Выступление перед учащимися класса.

Основное внимание уделяется анализу учебного и экологического содержания материала. Оно должно отвечать следующим требованиям: а) новая информация не должна преобладать над опорными знаниями; б) отобранный материал должен быть для учащихся значимым (в этом случае поддерживается стабильный интерес и знания учащихся закрепляются); в) учебный материал должен содержать в себе проблему, которая фактически становится основой эксперимента.

Следующим важным моментом в организации исследовательской работы является оценка имеющихся знаний и умений учащихся и в связи с этим определение соотношения деятельности учителя и ученика. Учитель помогает учащимся проводить теоретический анализ содержания, выделять вопросы, которые могут быть использованы для постановки проблемы, намечать пути экспериментального подтверждения сформулированной гипотезы. Он указывает литературные источники, объясняет, как провести те или иные расчеты и оформить результаты исследования.

В курсе химии заложены большие потенциальные возможности для постановки исследовательской работы экологического характера. Круг проблем может быть обширным: исследование воды, воздуха, почвы на содержание в них загрязнителей; изучение влияния избытка и недостатка минеральных удобрений, нефти и нефтепродуктов на жизнедеятельность организмов и т. д.

В качестве примера приведем общую схему проведения исследовательской работы по изучению влияния «загрязнителя» природной среды на живые объекты.

Исследовательская деятельность включает в себя не только абораторную практику, но также и натурные наблюдения. Важным воспитательным моментом является участие школьников в практической деятельности и обсуждение полученных результатов на уроке перед аудиторией.

На примере отдельных тем курса химии рассмотрим некоторые варианты исследовательской работы учащихся.

Тема «Кислород». При изучении данной темы у учителя имеется возможность решить ряд воспитательных задач: подвести учащихся к пониманию здоровья человека как общественной ценности; научить оценивать масштабы загрязнения и предвидеть возможные последствия этого явления для природы и человека.

Понятия о физических и химических свойствах кислорода, областях его применения, о составе воздуха непосредственно связаны с экологическими понятиями о биосфере, ее функциях (целостности, взаимозависимости и взаимообусловленности живого и неживого на Земле), о биогеохимическом круговороте кислорода в природе, на примере которого показывается не только всеобщая связь явлений, но и взаимосвязь проблем охраны окружающей среды и научно-технического прогресса. Раскрывая роль кислорода в жизни организмов и в сохранении природного равновесия, обусловленную свойствами кислорода, внимание учащихся акцентируется на изменениях, возникающих в биосфере в процессе хозяйственной деятельности человека. Эти изменения вызваны прежде всего чрезмерным расходованием кислорода на нужды народного хозяйства (сжигание всех видов топлива и отходов производства, синтез веществ, использование в медицине и др.). Для доказательства роли кислорода в жизни можно поставить несложные опыты по проращиванию и дыханию семян и фотосинтезу комнатных растений, используя учебный материал учебника «Ботаника» для VI класса средней школы. Проращивание семян (пшеницы, фасоли, редиса, гороха), наблюдения за ростом и развитием растений (фиалка, хлорофитум) проводятся в условиях чистого и сильно запыленного воздуха. Имитировать неблагоприятные условия можно при помощи миниатюрного пылесоса. Под тягой в химическом кабинете устанавливают комнатные растения, стаканчики с семенами (во влажной среде), накрывают (в виде купола) полиэтиленовой пленкой с отверстиями для воздуха или марлей, под которую нагнетают пыль из пылесоса. Наблюдения проводят в течение 5--7 дней. Учащиеся определяют запыленность листьев комнатных растений и влияние этого явления на интенсивность процесса фотосинтеза; наблюдают за изменением скорости роста как комнатных растений, так и проростков (всхожести семян), а также за последствиями интенсивной запыленности атмосферы (конечными результатами эксперимента). Результаты сравнивают с контрольными (в условиях чистого воздуха) и оформляют в виде кратких отчетов, фотографий. Растения и проросшие семена демонстрируют на уроке при обсуждении проблемы охраны атмосферного воздуха. Учащиеся наглядно убеждаются в необходимости сохранения его чистоты и оценивают проводимые в нашей стране природоохранные мероприятия, понимают важность озеленения городов и промышленных районов.

Другим вариантом исследовательской работы могут стать натурные наблюдения за растительностью в .зеленой зоне города и в сильно запыленных и загазованных районах (вблизи заводов, ТЭЦ, ТЭС, фабрик, автострад). Учащиеся класса распределяются по группам. Первая группа проводит наблюдения за цветковыми растениями, вторая -- за кустарниковыми, третья -- за лиственными породами деревьев, четвертая -- за хвойными породами деревьев, пятая -- за растениями водоемов. Наблюдения ведут вблизи промышленного предприятия на расстоянии 500, 1000, 1500 и 2000 м. Фиксируют следующие показатели: внешний вид растений, запыленность листьев, цвет, окраска зеленых частей растений, высота растений, размеры листьев, цветков, колосков, состояние корневой системы. Результаты опытных наблюдений сравнивают с контрольными, оформляют в виде таблиц, графиков, рисунков, фотографий, гербариев и представляют на обсуждение на заключительном уроке по химии в конце учебного года. Такую работу можно предложить учащимся в качестве летнего задания (провести наблюдения за растениями на даче, пришкольном участке, в местах отдыха).

В теме «Вода. Растворы» раскрывается роль воды в сохранении единства и целостности окружающего мира. В связи с этим большое внимание уделяется вопросам влияния хозяйственной деятельности человека на круговорот воды и изменение основных показателей водной среды в связи с ее загрязнением, действия загрязнителей на обитателей водоемов, защиты водных источников от загрязнения.

Исследовательская работа может проводиться по трем направлениям: 1) роль воды в питании растений; 2) сравнение чистой и загрязненной воды по некоторым параметрам: цвет, запах, прозрачность, рН среды, наличие осадка после отстаивания; 3) влияние загрязненной воды на рост и развитие растений; на обитателей водоема (модельный опыт с аквариумом). Загрязненная вода может быть взята из какого-либо источника вблизи промышленного предприятия или непосредственно с его территории. В зимний период для наблюдений можно использовать снеговую воду.

Качество воды определяется по методике [2]. Для оценки прозрачности воды используют стеклянную трубку (или бюретку) с делениями, диаметром 3 см и длиной 50 см. На дно трубки кладется пластинка (фарфоровая или из белой пластмассы) с нанесенным на ней черным несмывающимся крестом. Перед замером воду необходимо взболтать. Прозрачность, зависящая от количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения, определяется высотой столба воды в трубке (в см), сквозь который просматриваются контуры креста.

Запах зависит от биологических и химических загрязнителей. Воду наливают в плоскодонную колбу с широким горлом. Качество запаха определяют эпитетами: хлорный, землистый, рыбный, травяной, болотный, сероводородный, гнилостный. Силу запаха выражают по 5-балльной системе. 1 балл -- запаха нет или очень слабый (запах обычно не замечается); 2 балла -- запах слабый (обнаруживается, если на запах обратить внимание); 3 балла -- запах заметный (легко замечаемый и могущий вызвать неодобрительные отзывы о воде); 4 балла -- запах отчетливый (могущий вызвать воздержание от питья); 5 баллов -- запах очень сильный (настолько сильный, что вода совершенно непригодна для питья).

Для характеристики реакции среды используется индикаторная бумага. Цветность определяется в сравнении с эталоном -- чистой водой (если вода мутная, то ее предварительно фильтруют).

Исследуется влияние загрязненной воды на рост и развитие растений и на обитателей аквариума. В течение 7--10 дней комнатные растения поливают водой, содержащей какие-либо загрязнители. В опыте с аквариумом загрязненную воду добавляют ежедневно небольшими порциями (10 мл) и наблюдают за поведением рыб, моллюсков, за развитием растений, за изменением качества воды. В отдельную емкость наливают загрязненную воду и помещают в нее несколько веточек растений из аквариума. Наблюдения проводят в сравнении с контролем (в условиях чистой воды).

В опыте по питанию растений, иллюстрирующем значение воды в жизни организмов и ее функции, используется материал учебника «Ботаника» для VI класса. Перед учащимися ставят следующие вопросы: 1. Как питательные вещества попадают в растения? 2. Как происходит перемещение веществ в растениях? 3. Каким путем могут проникнуть в растения загрязнители? 4. Какие последствия они могут вызвать? 5. Какие природоохранные мероприятия вы можете предложить для сохранения растительного мира?

Учащимся предлагается смоделировать в лабораторных условиях защитные мероприятия и проследить последствия их реализации для живых объектов. К таким мерам можно отнести очистку воды (выведение определенных ионов из раствора), нейтрализацию веществ, фильтрование, обработку озоном, хлором и др.

Изучение темы «Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева» связано с раскрытием роли периодического закона применительно к биологическим процессам, протекающим в природе, а также мировоззренческих аспектов взаимодействия живой и неживой природы в формировании химического состава среды и живых организмов, обусловливающее единство и целостность окружающего мира. Учащихся подводят к пониманию того, что химический состав организмов является выражением химического состава среды и что количественное содержание тех или иных химических элементов в живом организме находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс (А. П. Виноградов, 1935). Учащиеся знакомятся с биогенными элементами, определяют их место в периодической системе, рассматривают их биологическую роль в организмах на основании качественных и количественных характеристик. При сравнении биогенных элементов с их аналогами (в подгруппах) устанавливается зависимость биохимических свойств элементов от изменения заряда ядра, радиуса их атомов и относительной атомной массы. От этих параметров зависит доля участия химических элементов в обмене веществ, а также их токсичность. Так, элемент углерод является элементом жизни, содержание его в организме (в весовых процентах) равно 10, а соединения свинца являются ядами для большинства организмов и содержание свинца равно 10--⁶. Аналогичную закономерность можно проследить на элементах других подгрупп. В этой теме формируется понятие и о биологической взаимозаменяемости химических элементов, приводящей в ряде случаев к серьезным нарушениям в живых организмах. Так, замена калия или натрия на литий в организмах животных и человека вызывает расстройство нервной системы, так как в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах и клетка не проводит нервный импульс. Кальций при его недостатке в почве заменяется на стронций. Кристаллическая решетка гидрофосфата стронция в костной ткани имеет иную структуру по сравнению с решеткой гидрофосфата кальция, и поэтому первый легко вымывается из костной ткани, что приводит к рыхлости костей и неуправляемости в связи с этим опорно-двигательной системой. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, который накапливается в местах ядерных взрывов. Этот радиоактивный изотоп вызывает облучение костного мозга, что приводит к заболеванию лейкемией (белокровием).

С учетом соответствующей информации и планируется исследовательская работа. Перед учащимися ставится проблема: «Магний -- элемент II группы главной подгруппы, является основой зеленого пигмента хлорофилла. В питательной среде, на которой выращивается растение, отсутствуют ионы магния, вместо них в растворе присутствуют ионы кальция. Вызовет ли это какие-либо последствия? Если да, то какие и почему?»

В опытах по биологической взаимозаменяемости растения выращивают методом гидропоники (в водном растворе, без почвы). Учащиеся самостоятельно рассчитывают необходимую для растений концентрацию солей, готовят растворы, а затем проводят наблюдения. Вместо солей кальция можно взять соли бария или стронция (тем интереснее будут наблюдения учащихся).

Токсичность элементов исследуется на примере действия солей свинца, накапливающихся в больших концентрациях вдоль автострад в почве (тетраэтилсвинец является присадкой к топливу), или солей ртути. Учащиеся подбирают материал по литературным источникам о причинах загрязнения биосферы токсичными элементами и о мерах, направленных на предупреждение этого нежелательного для природы процесса.

Проводятся также и натурные наблюдения на улицах города за состоянием деревьев хвойных пород, которые особенно чувствительны к соединениям свинца. Наблюдения оформляют в виде письменных отчетов, снабженных фотографиями или рисунками. Учащимся также предлагают провести анализ образцов почв на содержание в них ионов свинца (качественная реакция). В опытах с комнатными растениями можно использовать не специально приготовленный раствор, содержащий ионы свинца, а вытяжку -- почвенный раствор из образцов. В этом случае результаты опытов становятся более убедительными и доказательными.

В процессе исследовательской работы учащиеся решают различные качественные задачи как с познавательной целью, так и с целью закрепления знаний:

На каких свойствах воды основано использование ее человеком?

Почему загрязнение водоисточников опасно для человека, для природы в целом?

Какие процессы лежат в основе самоочищения водоемов в природе?

Вода является возобновимым ресурсом. Как вы это понимаете? Почему в настоящее время говорят об истощении природных водоисточников?

В 2 км от сернокислотного завода находилось озеро. Завод загрязнял атмосферу сернистым газом. Через несколько лет озеро превратилось в болото, в нем не стало рыбы и многих видов растений. Как это объяснить? Какие химические процессы вызвали изменение экосистемы? Как можно было бы спасти озеро?

6. Какие пути решения водной проблемы вам известны? Какому из них отдается предпочтение и почему?

При изучении темы «Производство серной кислоты» можно определять влияние сернистого газа на растительные организмы и экосистему в целом. В опыте имитируется процесс образования кислотных дождей, которые стали часто наблюдаться в природе из-за загрязнения атмосферы оксидами серы, азота и другими соединениями, растворы которых дают кислую реакцию.

Под полиэтиленовую пленку с отверстиями для воздуха помещают комнатные растения, проросшие зерна пшеницы и небольшой аквариум с обитателями (как модель экологической системы). Рядом укрепляют пробирку с концентрированным раствором сернистой кислоты (или с концентрированной серной кислотой и медной проволокой). Наблюдения проводят в течение 7 дней. Группа химиков исследует воду аквариума и почву (ее верхний слой) на кислотность, запах, цвет, определяет примерную концентрацию диоксида серы под пленкой, составляет график зависимости роста и развития растений от концентрации этого оксида. Группа биологов проводит наблюдения за изменением внешнего вида растений, поведением рыб и моллюсков в аквариуме. Группа географов по литературным источникам собирает материал о районах планеты, наиболее загрязненных соединениями серы, о миграции соединений в другие области, о случаях гибели природных экологических систем, о природоохранных мероприятиях, направленных на защиту окружающей среды от оксидов серы и сероводорода. По результатам исследований учащиеся делают вывод о пагубном влиянии диоксида серы на живые организмы и предположение о возможном нарушении природного равновесия, последствиях такого нарушения в местах, где концентрация диоксида серы в атмосфере превышает предельно допустимые нормы. Результаты исследований могут быть представлены и обсуждены в классе при ознакомлении учащихся с природоохранными мероприятиями в сернокислотном производстве.

Определенный интерес могут вызвать и теоретические исследования некоторых проблем. Например, последствия взаимозаменяемости серы на селен. Селен входит в состав серосодержащих руд и выделяется в атмосферу при обжиге руды. Селен может заменять серу в аминокислотах (метионине, цистеине, цистине) и включаться в обмен веществ. Избыток селена в растениях (до 5 * 10 ⁶ %) вызывает облысение овец и болезни копыт, выпадение перьев у птиц, нарушение координации движений у животных. Аналогичную работу можно провести по исследованию влияния на живые объекты соединений мышьяка, также являющегося отходом сернокислотного производства. Другой отход производства -- .пиритный огарок. Огромные его количества занимают значительные территории ценных пахотных земель, сильно запыляют атмосферу, создавая тем самым серьезную угрозу для здоровья человека. Группа химиков может определить, какие соединения выщелачиваются из пиритных огарков под действием атмосферных осадков, какое воздействие могут оказать эти вещества на живую природу. Учащиеся сами планируют и разрабатывают методику эксперимента, используя приобретенные знания и умения; учитель выступает в роли консультанта.

Изучая тему Теория электролитической диссоциации», учащиеся знакомятся с ионообменными процессами, протекающими в живой и неживой природе, их взаимосвязью, с биогеохимическим круговоротом веществ на ионном уровне, с причинами, вызывающими изменения и нарушения в этих круговоротах. В результате деятельности человека движение многих веществ ускоряется настолько, что круговороты становятся несовершенными и, как следствие, создается опасная ситуация: в одних местах вещества накапливаются в больших концентрациях, а в других ощущается их острая нехватка. Поскольку влияние веществ на живой организм может быть различным в зависимости от концентрации, то последнее замечание может привести к нежелательным для природы последствиям. Миграция веществ в природе в основном происходит на ионном уровне, поэтому в данной теме необходимо углубить знания учащихся об ионах, на более высоком теоретическом уровне рассмотреть строение молекулы воды, объяснить ее растворяющую способность, дать понятие о водородной связи и показать ее влияние на свойства воды, раскрыть значение воды для жизни на Земле (роль воды как активной внутренней среды организма и как непосредственного участника многих биохимических процессов). Живые организмы усваивают минеральные вещества в основном в виде ионов, что создает определенную концентрацию веществ в клетках и межклеточной жидкости и делает возможным перемещение воды и некоторых растворенных в ней веществ в организме. Растворимость минеральных веществ изменяется в зависимости от температуры, кислотности и присутствия других растворенных веществ. Поглощение одного иона зависит от присутствия других ионов. Так, в присутствии легкопоглощаемого аниона катионы той же соли поступают в клетку быстрее. Ионы- с одинаковым зарядом обычно конкурируют между собой. Однако в некоторых случаях наблюдается противоположная закономерность. Так, при наличии в среде иона фосфата (РОЗ^-) поглощение нитратов (NO) ускоряется. Значительную роль в поглощении питательных веществ играет концентрация ионов водорода (рН). Показано, что при подкислении раствора поступление катионов задерживается (конкуренция одноименно заряженных ионов). Большое увеличение кислотности почвы может сильно тормозить рост и отрицательно действовать на живые организмы. В кислой среде хорошо мигрируют многие металлы, особенно в комплексе с органическими соединениями, поэтому кислые почвы обедняются подвижными элементами, которые становятся дефицитными для растений и животных.

Приведенный материал может стать основой для постановки исследовательской работы учащихся при изучении темы «Теория электролитической диссоциации» в рамках природоохранного подхода: причины и последствия засоления почв, их эрозия; эвтрофикация (обогащение органическими веществами) водоемов, приводящая к смене биоценозов; проникновение загрязнителей в растительные организмы и др., а также натурные наблюдения, связанные с теми же проблемами. Объектами в лабораторных исследованиях служат комнатные растения, аквариум, проростки семян, растения, выращенные методом гидропоники, а также опытные делянки пришкольного участка.

В опытах с засолением почвы используют комнатные растения, которые обильно поливают питательным раствором, содержащим повышенные дозы карбоната и сульфата натрия (имений Эти соединений в большей степени вызывают засоление). Через 7--10 дней полив следует прекратить и наблюдать в течение недели за состоянием почвы и внешним видом растений. На поверхности почвы выступит избыток
солей, появятся трещины, а растения потеряют упругость листьев.

Для закрепления приобретенных знаний учащимся можно предложить следующие задачи:

Растения могут поглощать вещества только из слабых почвенных растворов, поэтому питательные смеси готовят с содержанием в литре воды минеральных солей массой от 1 до 3 г. Определите массовую долю минеральных солей, если в растворе массой 1 кг содержание солей а) 1 г, б) 3 г.

Почему избыток в организме бромид-ионов препятствует поступлению иодидов, вызывая тем самым угнетение функции щитовидной железы?

Фтор поступает в организм человека с продуктами питания и водой. В некоторых районах содержание фторидов в питьевой воде в пересчете на фторид натрия составляет 2 мг/л. Считая, что человек в среднем потребляет в сутки 2 л воды, вычислите массу фтора, вводимую ежедневно в организм человека. Напишите уравнение диссоциации фторида натрия и укажите, в каком виде фтор поступает в организм. К чему может привести избыток фтора в организме человека?

Тема «Подгруппа азота» является одной из самых благодатных в плане постановки исследовательской работы. При изучении аммиака и оксидов азота (II, IV) можно предложить учащимся выяснить влияние этих веществ на растения. Опыты проводят аналогично тому, который иллюстрировал действие оксида серы (IV) на растения. Помимо наблюдений за растениями учащимся можно предложить решить проблему обезвреживания оксида азота (IV) с целью предотвращения попадания его в атмосферу через тягу в кабинете химии во время демонстрации соответствующих опытов. Как правило, учащиеся справляются с этой задачей, предлагая проводить поглощение оксида азота (IV) водой с последующей нейтрализацией полученного раствора щелочью; поглощение газа раствором щелочи или соды с последующей обработкой полученного раствора разбавленной азотной кислотой для перевода образующихся токсичных нитритов в нитраты. Можно предложить учащимся в лабораторных условиях опробовать промышленный метод обезвреживания оксидов азота -- поглощение его водными растворами аммиака и карбоната аммония. В этом случае оксиды азота реагируют с водным раствором аммиака с образованием нитрита аммония -- нестойкого соединения, разлагающегося с выделением воды и элементарного азота -- экологически безвредных веществ.

Изучение темы «Минеральные удобрения» можно закончить обобщающим межпредметным уроком-семинаром с условным названием «Минеральные удобрения и охрана окружающей среды». Одним из этапов подготовки к такому семинару может быть исследовательская работа.. Для ее организации формируют две группы биологов и группу химиков.

Первая группа биологов изучает влияние удобрений (азотных, фосфорных, калийных, микроудобрений) на рост и развитие растений. Закладывают опыты по проращиванию зерен пшеницы в различных условиях: а) при нормальных, заниженных и завышенных дозах удобрений в почве; б) при исключении из питательных растворов какого-либо питательного элемента (микро- и макроэлемента), необходимого для раз? вития растений. В каждом случае опытный вариант сравнивается с контрольным.

Вторая группа биологов изучает влияние избытка удобрений на водную экосистему. Моделью такой системы служит аквариум, в котором находятся водные растения, моллюски, дафнии. В опыте имитируется смыв удобрений с полей во время паводков и обильных дождей. С этой целью из небольшого ящика с растениями аккуратно снимается верхний слой почвы, предварительно обогащенный минеральными удобрениями. Почву помещают в колбу, заливают чистой водой (можно дистиллированной), взбалтывают и отстаивают. Затем воду с растворенными в ней солями добавляют в небольшом объеме (10--15 мл) в аквариум. Наблюдения за обитателями аквариума проводятся в течение 5--7 дней.

Группа химиков, используя методику [2], проводит качественный и примерный количественный анализ воды из аквариума до начала эксперимента и после его окончания (рН, присутствие ионов S^2-, С1^_, Fe²⁺, Fe³+ N0₃^_, SOS^-, Ca²⁺). Предложенный опыт имитирует также эвтрофикацию водоемов и зарастание в природных условиях, приводящих к дефициту кислорода в воде, замору рыб и «цветению» воды. Все перечисленные последствия наблюдаются и в условиях опыта.

Постановка исследовательской работы в данной теме углубляет представления учащихся о роли макро- и микроэлементов, о составе почвенных растворов, о поглотительной способности почвы (физико-химической природе поглощения катионов и анионов), о механизме питания растений, о двойственной роли минеральных удобрений по отношению к природной среде. В связи с этим внимание учащихся акцентируют на том, что несоблюдение научно обоснованных принципов и приемов работы с минеральными удобрениями приводит к нарушению сложившихся природных циклов оборота веществ и энергии, ухудшению качества самих удобрений (разложение химикатов и выделение нежелательных продуктов в атмосферу), вымыванию удобрений из почвы, минерализации грунтовых и поверхностных вод.

Для закрепления приобретенных знаний предлагают следующие задания:

Определите степени окисления азота в соединениях: N₂0, NO, N₂0₃, NО₂, N₂О₄, NH₃, NH₄OH. Почему эти вещества являются загрязнителями природной среды? Каковы их источники? Какие из них наиболее опасны для живых организмов?

В виде каких ионов усваиваются растениями азот, фосфор? Напишите уравнения диссоциации веществ, образующих эти ионы.

Допустимая концентрация азотной кислоты, в сточных водах составляет 30--35 мг/л. Вычислите массовую долю азотной кислоты в таком растворе.

Как можно объяснить, что вблизи заводов по производству азотной кислоты почва и вода в водоемах сильно закислены? Приведите уравнения реакций, иллюстрирующих этот факт. Какие вы могли бы предложить способы предупреждения этого нежелательного процесса?

При среднем урожае пшеницы за один сезон выносится с 1 га до 75 кг азота. Какая масса нитрата аммония может возместить такую потерю, если учесть, что около 20 % азота.

Как будет изменяться кислотность почв при использовании в качестве удобрений сульфата аммония, нитрата кальция, нитрата аммония? Ответ мотивируйте.

Укажите причины, вызывающие засоление почв. Какую опасность представляет это явление?

Назовите основные пути решения природоохранных проблем при интенсификации (химизации) сельскохозяйственного производства.

9. Чем объяснить, что в природе всегда примерно одинаковое количество связанного азота, хотя азот с трудом вступает в химические
реакции, но легко выделяется из соединений? Как может хозяйственная деятельность человека нарушить такое равновесие?

При изучении темы «Общие свойства металлов» исследовательская работа может быть связана с раскрытием двойственного влияния ионов металлов на природу в зависимости от концентрации их в окружающей среде. Учащиеся знакомятся с общим, особенным и индивидуальным в строении металлов, с зависимостью появления качественно новых свойств металлов от количественных изменений их параметров, с биогенностью ионов. Другим направлением исследовательской работы может стать выяснение влияния продуктов коррозии на водную растительность. Коррозия металлов рассматривается как результат и как фактор загрязнения окружающей среды, а меры предупреждения коррозии расцениваются как один из путей сохранения ее чистоты.

В процессе теоретической подготовки учащиеся узнают, что ионы металлов являются непременными участниками биохимических процессов, стимулируют и нормализуют обмен веществ, участвуют в кроветворении, оказывают положительное действие на рост и размножение, на иммунобиологическую активность организмов и продолжительность жизни, участвуют в создании определенной ионной концентрации в клетках, стабилизируют и активируют ферменты, обеспечивают протекание жизненных процессов в клетке, создавая разность потенциалов на поверхности клеточных мембран; с их помощью осуществляются многочисленные окислительно-восстановительные процессы в клетке (например, фотосинтез). Дополнительная информация помогает учащимся более осмысленно планировать исследовательскую работу, глубже проникать в наблюдаемые процессы.

Для эксперимента, доказывающего двойственное влияние ионов металлов на организмы, отбирают несколько растений хлорофитума, одно из которых служит контролем. Опытные растения распределяют на две группы по три растения в каждой. В первой группе каждое растение получает минеральную подкормку с дефицитом какого-либо необходимого микроэлемента: одно -- без меди, другое -- без железа, третье -- без цинка. Во второй группе каждое из трех растений получает такую же подкормку, но только с избытком соответствующего микроэлемента. Результаты наблюдений можно оформить в виде таблицы с графами: ионы металлов (Cu²⁺, Fe^f+, Zn²⁺); недостаток; избыток; норма; выводы. Помимо таблицы учащиеся строят график зависимости роста растения от концентрации ионов металлов.

Методика проведения эксперимента по влиянию продуктов коррозии на растительные организмы следующая. В шесть майонезных банок помещают растения из аквариума и наполняют водой из того же аквариума; В четыре из них опускают железные гвозди, соединенные соответственно с кусочками цинка, олова, свинца, меди, а в пятую помещают только гвоздь; шестая банка служит контролем. До начала эксперимента проводится анализ воды на запах, определяется рН, наличие ионов трех- и двухвалентного железа (качественные реакции с роданидом аммония и красной кровяной солью), прозрачность, цветность. В процессе эксперимента отбирают 5 раз пробы на качество воды по тем же параметрам. Наблюдения проводят в течение 5 дней. Через день в пробах с гальваническими парами начинается заметная коррозия (исключение составляет проба с парой железо--цинк). На 3-й день коррозия усиливается. На 5-й день эксперимента вода мутнеет, приобретает гнилостный запах; растения покрываются налетом в виде слизи или плесени. Анализ воды показывает изменение реакции среды: слабощелочная (железо--цинк), слабокислая (железо--олово), кислая (железо--свинец), сильнокислая (железо--медь). Во всех пробах наблюдается появление ионов трехвалентного железа. Несмотря на то что ржавчина отсутствует в пробе с парой железо--цинк, ионов трехвалентного железа в ней много (3--4 мг/л). Концентрация ионов трехвалентного железа в воде самая большая в паре железо--медь (около 10 мг/л). Учащиеся могут сделать вывод, что концентрация ионов железа и кислотность среды прямо зависят от степени коррозии. Результаты эксперимента могут быть оформлены в виде графика с условным названием «Влияние степени коррозии на изменение характера среды и концентрацию ионов трехвалентного железа».

Важным является то, что учащиеся, пользуясь таблицей «Химическая и электрохимическая коррозия» и применяя знания о гальванических элементах и электрохимическом ряде напряжений металлов, могут самостоятельно объяснить сущность электрохимической коррозии, указать причины ее возникновения и условия, способствующие усилению этого процесса. В сознании школьников фиксируются правила поведения вблизи водоемов, запрещающие сбрасывать в них металлические предметы, поскольку это грозит пагубными последствиями для обитателей водоемов;

При ознакомлении учащихся с темой «Метиллургия» имеется возможность организовать исследовательскую работу во время экскурсий на производство и продолжить ее затем в лабораторных условиях на базе собранного материала. Примерными заданиями могут быть: наблюдения за состоянием окружающей среды вблизи завода (запыленность, загазованность воздуха; реакция среды почвы, наличие в ней ионов металлов, неметаллов, почвенных организмов; качественный состав сточных вод, наличие растительности и ее внешний вид; анализ эффективности природоохранных мероприятий на данном заводе).

Так, исследование образцов почвы и воды на территории алюминиевого завода показывает на повышенное содержание в них ионов фтора и алюминия. Растения, взятые с территории завода, чахлые, с плохо развитой корневой системой, с листьями желтовато-зеленоватого цвета. Очевидно, что, проводя такого рода работу, учащиеся делают выводы из наблюдений более осмысленно, а при обсуждении природоохранных мер стараются внести собственные предложения. Задания для закрепления знаний:

1. Как изменяется биогенная роль ионов металлов в группах, периодах? Какие особенности в строении атомов металлов характерны для биогенных элементов?

2. Какие растворы солей при электролизе вьще ляют ядовитые и удушливые газы? Приведите примеры химических реакций, способных нейтрализовать эти продукты.

3. В разбавленных выщелоченных водах, образующихся при извлечении меди из руды содержится растворенная медь, которая может быть извлечена, если пропустить сток через железный лом. Элементарная медь осаждается, фильтруется и извлекается, после чего направляется в печь. Напишите уравнение реакции восстановления меди металлическим ломом. На чем основан этот процесс? Какая природоохранная задача здесь решается?

Курс органической химии также располагает значительным материалом для организации исследовательской работы учащихся. Примерными темами исследований могут быть: изучение влияния на живые организмы нефти и нефтепродуктов, синтетических моющих средств, спиртов, фенолов и пестицидов; устойчивость пластмасс к действию почвенных микроорганизмов и др.

При изучении темы «Природные источники углеводородов» учащиеся знакомятся с нефтью и нефтепродуктами. Помимо их положительной роли в народном хозяйстве рассматривается и их отрицательная роль в качестве загрязнителей природной среды. Учащимся становится известно, что нефть и нефтепродукты оказывают пагубное воздействие на многие живые организмы, а следовательно и на все звенья биологической цепи. Нефтяные пленки на поверхности морей и океанов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между океаном и атмосферой. Пленка из нефти не пропускает солнечные лучи, замедляет обновление кислорода в воде. В результате перестает размножаться планктон -- основной продукт питания морских обитателей и главный источник кислорода в атмосфере. Растворимые компоненты нефти очень ядовиты. Их присутствие приводит к гибели морских организмов, прежде всего рыб. Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, вызывает патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата [1].

Для доказательства отрицательного воздействия нефти и нефтепродуктов на водные организмы проводится следующая работа. В три небольшие аквариума (их можно заменить банками) добавляются из расчета 10 мл/м³ нефть, мазут и бензин соответственно. Уже на 2-й день эксперимента в опытных аквариумах наблюдается замор рыб, на 3-й -- гибель моллюсков, а на 6--7-й день -- «загнивание» воды и гибель растений. Качество воды резко ухудшается: изменяются цветность, прозрачность, запах. Параллельно ставится серия опытов по определению минимальной концентрации этих веществ, при которой экосистема не подвергается деградации. Проводится беседа о недопустимости мойки автомобилей вблизи водоемов, об аккуратном обращении с растворителями, маслами и другими нефтепродуктами при работе на открытой местности (на даче, в селе, за городом на отдыхе), а также в кабинете химии при проведении лабораторных работ (использованные вещества сливают в специальную емкость). Таким образом, у учащихся формируется культура труда и культура отношения к окружающей природной среде. Задания для закрепления знаний:

Объясните факт отравления человека съедобными моллюсками, выловленными из зоны моря, загрязненной нефтепродуктами.

Почему холодные моря загрязнены нефтепродуктами в большей степени, чем теплые?

Составьте схему опосредованного влияния пестицидов на человека. Какие меры необходимо предусмотреть для предупреждения этого нежелательного факта?

Укажите положительный и отрицательный эффекты применения химических средств защиты растений.

В заключение следует подчеркнуть, что усиление экологического образования в курсе химии позволяет приобщить учащихся к практической проверке некоторых фактов, описанных в литературе, воспроизведению в лабораторных условиях негативных явлений, наблюдаемых в природной среде в результате интенсивной, часто неразумной, бесхозяйственной деятельности человека. Непосредственное участие школьников в практической деятельности способствует развитию у них творческого, активного отношения к проблемам охраны природы, самостоятельности в принятии конкретных решений.

Глава 2. ВОСПИТАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ НА УРОКАХ ХИМИИ

Экология (от греческого слова  - дом, жилище и … логия) - наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. С одной стороны экология - наука очень простая, с другой - безумно сложная, поскольку старается понять взаимоотношения между бесчисленными, находящимися в постоянном движении и развитии существами и веществами.

Проблемы борьбы с антропогенным загрязнением нашей планеты, проблема надежной охраны природы пока далеки от окончательного решения. Причина этого состоит в том, что у большинства населения Земли отсутствует правильное экологическое воспитание и мышление. Экологическое мышление складывается из комплекса качеств, которые необходимо воспитывать у ребенка: эстетическое восприятие окружающего, чувство прекрасного и прочные естественно-научные знания. Именно поэтому естественные науки - биология, физика, химия - представляют особую важность.

В национальной стратегии экологического образования в Российской Федерации указано на необходимость экологизации учебных дисциплин - привнесение в практику их преподавания элементов экологического подхода, ориентирующего на исследование взаимодействий организмов с окружающей средой. Естественно-научной основой разработки педагогических аспектов охраны природы является учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере, включающее человечество как мощный фактор глобального значения. Трудами В.И. Вернадского, В.Н. Сукачева, С.С. Шварца и их последователей заложены основы современной экологии, которая, по словам Б.М. Кедрова, является своеобразным блоком, сближающим естественные и общественные науки.

Ряд авторов (Н.Ф. Винокурова, В.В. Николина) выделяют компоненты экологической культуры, обеспечивающие устойчивое развитие общества:

1) когнитивный (экологически значимые знания);

2) аксиологический (экологические ценности, отношения, оценки, переживания, «эмоциональный резонанс»);

3) нормативный (нравственные, этические нормы, правила, запреты, экологические традиции);

4) творческо-деятельностный (опыт созидательный, проективный);

5) поведенческий (природосообразные поступки в отношении окружающей среды, сотрудничества в отношении к ней);

6) экологический стиль мышления (ценности живой природы, единства с ней человека).

Значительная часть научно-экологической информации передается учителем.

Показателем экологического воспитания школьников является выражение их заботливого отношения к окружающей среде, к проблемам охраны природы. Разностороннее мировоззрение формируется под влиянием знаний о комплексе экологических проблем современности на всех уровнях -- глобальном, национальном, местном.

Экологическая культура каждого отдельного человека включает в себя: культуру познавательной деятельности, культуру труда, культуру духовного общения с природой. В этом отношении для учителя важны каналы, с помощью которых он может воздействовать на личность ученика, и педагогические средства, с помощью которых осуществляется экологическое образование и воспитание учащихся.

Химизация промышленности, сельского хозяйства и транспорта, здравоохранения и быта достигла широчайших размеров, и это, естественно, сказывается на взаимодействии природы и общества. Цели разумного регулирования этих отношений должны быть доведены до сознания учащихся. Они должны усвоить следующее:

1) продукты жизни общества не должны накапливаться и оказывать вредное воздействие на человека и окружающую природу;

2) размеры годового потребления возобновляющегося природного химического сырья не должны превышать его годовой прирост;

3) невозобновляющееся природное химическое сырье должно использоваться экономно, комплексно, необходимо уменьшить отходы при переработке.

По токсичности отходы подразделяются на безвредные, токсичные и особо токсичные. Ущерб, наносимый природе, подразделяется на экономический, социальный и моральный. Для уменьшения размеров экономического ущерба необходимо увеличивать выпуск очистных сооружений и повышать их эффективность. Для стабилизации и улучшения состояния окружающей среды в разных странах выделяются средства в размере 1-2,5 % от национального дохода.

Литература

Никитин Л. П., Новиков Ю. Б. Окружающая среда и человек. М.: Высшая школа, 1980.

Химия и охрана природы // Методические письма и рекомендации. Вып. 4. Курск, 1973. С. 90--97.