Научная статья на тему 'Экохимическое образование будущих учителей химии'

Экохимическое образование будущих учителей химии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
599
136
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Артемьев В. П.

Обосновано значение химического образования в формировании экологического мировоззрения учащихся, дан анализ новых учебников химии с позиций имеющейся в них экологохимической информации, предложена программа экохимического образования студентов будущих учителей химии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экохимическое образование будущих учителей химии»

УДК 54(075.5)

ЭКОХИМИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ХИМИИ

В.П. АРТЕМЬЕВ

Пензенский государственный педагогический университет, кафедра химии и биохимии

Обосновано значение химического образования в формировании экологического мировоззрения учащихся, дан анализ новых учебников химии с позиций имеющейся в них эколого-химической информации, предложена программа экохимического образования студентов - будущих учителей химии.

Изучение химии играет важную роль в экологическом образовании. Наблюдаемые глобальные изменения в природе многие члены общества связывают с развитием химии. но это не соответствует действительности. В ухудшении экологической обстановки и здоровья большинства людей во многом повинна химическая безграмотность части населения, несформированность системы ценностей в структуре их личности. Поэтому знание важнейших свойств веществ, широко используемых в повседневной жизни, приемов правильного обращения с ними должно закладываться в содержании базового образования по химии. Эти знания необходимы всем учащимся независимо от того, какую профессию они выберут в будущем.

Роль химии в решении экологических проблем на современном этапе значительна, в частности, изучая состав, строение и свойства веществ, химия может ответить, как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, почве, водной среде, какие воздействия оказывает оно и продукты его превращений на биологические системы (Назаренко, 1994).

В процессе обучения студентов химии в вузе и учащихся в школе стоят задачи повысить уровень экологического образования и воспитания, экологической культуры и ответственности обучаемых. В эти понятия вкладывается следующее содержание. Экологическое образование - непрерывный процесс обучения, который направлен на усвоение систематических знаний и умений, обеспечивающих ответственное отношение к окружающей среде. Экологическое воспитание - целенаправленный процесс формирования у школьников установки на бережное отношение к природе. Экологическая культура - наличие у человека определенных знаний и готовности к экологически целесообразной деятельности. Экологическая ответственность - понимание человеком меры свободы в отношениях с окружающей средой. Конечной целью экологического образования и воспитания является формирование экологического мировоззрения.

Различают несколько уровней экологической подготовки обучаемых: информационно-позна-

вательный уровень - уровень просветительства и получение определенных знаний; операционно-деятельностный уровень - формирует экологически целесообразные умения; практико-ориентирован-ный уровень - обеспечивает готовность обучаемых к экологической деятельности.

Химический эксперимент - неотъемлемая часть обучения химии. Его роль возрастает в формировании экологического мировоззрения: он становится активным методом изучения окружающей природной среды, формирует и совершенствует знания в области химии, экологии и охраны природы.

В настоящее время использование химического эксперимента в этих целях идет в основном в следующих направлениях: использование аналитических методов для определения состояния природного окружения; переработка отходов, образующихся в результате химических реакций или утилизация -повторное использование полученных веществ в учебном процессе; разработка экологически безопасного эксперимента

Усиление экологической направленности, предлагаемого в обучении студентов и учащихся химического эксперимента, позволит сделать восприятие теоретического материала более активным, эмоциональным, творческим, будет способствовать формированию у учащихся интереса к химии и экологии (Назаренко, Лучинина 1994).

Проанализировав ряд рекомендованных для обучения химии в школе учебно-методических комплектов на предмет имеющейся в них экологической информации, нами было выявлено незначительное расхождение по объему и форме преподнесения материала с экологической направленностью. Такого материала в школьных учебниках, по нашему мнению, недостаточно, его рассмотрение не везде носит системный характер, превалирует информационно-познавательный уровень подготовки учащихся - уровень просветительства и получение определенных знаний. Несомненно, это связано и с недостаточным количеством часов преподавания химии в школе, что ставит учителя в жесткие временные рамки и позволяет объяснить только основной (базовый) материал.

В качестве примера рассмотрим степень освещения экологического материала для учащихся в учебно-методическом комплекте О.С. Габриеляна.

8 класс (Габриелян, 2003). В учебнике достаточно внимания уделяется таким общим положениям экологической химии, как взаимосвязь интенсивного развития промышленности (химической, машиностроительной, пищевой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей) и загрязнения окружающей среды, а также негативному влиянию этого загрязнения на здоровье людей (§2 с.8). Заостряется

внимание учащихся на проблеме получения чистой воды, возрастании потребности человечества в воде и усилении загрязнения воды в результате производственных процессов (§18, с.65; §25, с.92).

Показана возможность практического применения химических знаний для получения химически чистых веществ и анализа смесей. (§23, с.83; практическая работа №3, с.111). Приведен интересный пример использования платинного катализатора для увеличения полноты сгорания топлива в двигателях, что резко снизило содержание вредных примесей в выхлопных газах автомобилей в Токио и Нью-Йорке (§31, с.126). Эти данные знакомят учащихся с практическим применением новейших научных достижений.

В теме «Скорость химической реакции» предлагается задание, в котором интересно совмещена экологическая информация (гниение газеты идет один год, ржавление консервной банки - 10 лет) с содержанием обучения: «что можно сказать о скорости данных химических процессов и какой практический вывод можно из этого сделать» (§29, с. 118).

9 класс (Габриелян, 2002). В теме о способах получения металлов приводится схема выделения металлов в чистом виде с использованием микроорганизмов. В задании к этому параграфу учащимся предлагается сравнить два метода получения меди: с помощью серной кислоты и с помощью бактерий с позиций их экологической безопасности (§9, с.40).

Автор уделяет достаточно внимания проблеме разрушения озонового слоя и его значению, химическим соединениям, разрушающим его (§15, с.74; §19, с.88).

В параграфе, посвященном химической мелиорации почв, упоминается негативное влияние избытка ионов водорода для растений и микроорганизмов (но не говорится, откуда они берутся) (4, с.206, приложение 2).

10 класс (Габриелян и др., 2002). В задании к теме «Природные источники углеводородов» учащимся предлагается объяснить, почему сжигание нефти, каменного угля и попутного нефтяного газа далеко не самый рациональный способ их использования (§10, с.67).

11 класс (Габриелян, 2003). В 11 классе экологический материал представлен в наибольшем объеме из всех учебников, входящих в комплект.

В теме «Дисперсные системы и смеси» в качестве примера дисперсных систем, отрицательно влияющих на жизнь людей, рассматриваются состав смога и цементной пыли (§8, с.68).

В учебнике имеется целая глава, посвященная значению химии в жизни общества. В ней достаточно подробно рассматривается влияние антропогенного фактора на окружающую среду. Последовательно рассматриваются проблемы охраны атмосферы, водных и земельных ресурсов, влияние моющих, чистящих средств, минеральных удобрений и пести-

цидов на состояние окружающей среды; приводится классификация пищевых добавок, дается понятие о предельно допустимой концентрации (ПДК).

Автор обращает внимание на то, что 90% удобрений попадают в сточные трубы населенных пунктов, информирует о последствиях неправильного использования удобрений в сельском хозяйстве (избыточное содержание нитрит и нитрат ионов; загрязнение водоемов, морей вымывными удобрениями; включение ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве, в круговорот веществ).

Достаточно подробно описывается токсическое действие ДДТ на организм человека, отрицательные последствия применения других пестицидов. Описаны методы интегрированной системы борьбы с вредителями, что позволяет уменьшить вредное влияние на окружающую среду пестицидов. В § 26 «Химия и проблемы охраны окружающей среды» автор говорит о прямых и косвенных загрязнениях. К содержанию излагаемого материала прилагаются иллюстрации, отражающие типы загрязнений и их источники (рис.51).

Габриелян О.С. описывает источники загрязнения атмосферы (естественные, антропогенные), изменения свойств атмосферы в результате загрязнения (действие S02, N0, Ы02, С02, СО, уменьшение озонового слоя, парниковый эффект), перечисляет методы предотвращения попадания указанных газов в воздушную среду обитания и меры борьбы с загрязнениями атмосферы.

В § 27 «Химия и повседневная жизнь человека» говорится об огромных позитивных возможностях химической науки, но химия может стать и опасной для человека. Поэтому каждый человек должен обладать химическими знаниями. В учебнике описывается вредное воздействие ПАВ (они медленно разлагаются и попадают в сточные воды и в водоёмы). Тут же говорит о методах очистки сточных вод.

В таком объеме экологический материал не представлен ни в одном из изученных комплектов других авторов. Но следует заметить, что экохими-ческие вопросы в учебном комплекте представлены учащимся неравномерно. В учебниках 8, 9, 10 классов этого материала незначительно и представлен он не системно, а в виде отдельных фактов и заданий. Учебник 11 класса содержит целую главу, посвященную экологической проблеме. У учащихся имеется возможность осмысленно с химической точки зрения рассмотреть проблемы защиты окружающей среды при решении учителем проблемы формирования экологической культуры ученика в короткий промежуток времени.

На основе анализа данного и других УМК можно сделать следующие заключения. В современных школьных учебниках экологического материала недостаточно, а представленный материал имеет информационный характер. Крайне редко экохи-мическая информация представлена в выполняе-

мом учеником упражнении или решаемой задачи. К сожалению, при выполнении химического эксперимента с токсичными газообразными и парообразными соединениями не предусмотрены в установках конструкционные детали, поглощающие эти опасные соединения. К примеру, описание химического эксперимента «Горение водорода в атмосфере хлора» авторов Габриелян о.С., Гузей л.С., Кузнецова Н.Е., Минченков Е.Е. можно выразить следующими фразами: «в сухой цилиндр, наполненный хлором, внести зажженный у конца газоотводной трубки водород. При сгорании водорода в хлоре образуется удушливый газ - хлороводород».

Описание химического эксперимента «Окисление оксида азота (II) в оксид азота (IV)» по Кузнецовой Н.Е. представлено так: «цилиндр, заполненный над водой оксидом азота (II) открыть на фоне белой бумаги. Оксид азота (II) при соприкосновении с кислородом воздуха моментально окисляется до оксида азота (IV)».

Недостатком всей экологической программы, заложенной в учебниках, является и тот факт, что учащимся не разъясняется, как использовать полученные в эксперименте жидкие и твердые продукты реакции, как их можно переработать для получения необходимых соединений, к примеру, для дальнейшего использования в кабинете химии. Все эти вещества после проведения опыта, к сожалению, при участии и присутствии учащихся сливается в раковину, т.е. вымываются в окружающую среду. Такого рода действия могут полностью перечеркнуть воспитательный момент от полученной учащимися экологической информации.

При подготовке учителя химии в Пензенском педуниверситете мы реализуем программу экохими-ческого образования и воспитания будущего учителя. Эта программа имеет следующее содержание:

1. Подбор материала с экологическим содержанием и логичное связывание данного материала с изучаемой темой (курсы методики преподавания химии и химии окружающей среды);

2. Подбор и выполнение студентами упражнений и задач для учащихся на экологическую тему (курс химии окружающей среды);

3. Выполнение работ по утилизации вредных для окружающей среды химических соединений, получаемых в процессе проведения школьного химического эксперимента (курс химии окружающей среды);

4. Проведение экологически чистого школьного химического эксперимента, предотвращающего попадание токсичных веществ в окружающую среду. Такие установки могут стать для учащихся наглядными моделями охраны среды обитания (курс методики преподавания химии).

Рассмотрим несколько примеров переработки и использования продуктов химических реакций, проводимых на занятиях химии.

В первом примере (Артемьев, 2001) рассмотрим утилизацию раствора солей хлоридов меди и железа (II) после проведения опыта «Взаимодействие железа с раствором хлорида меди (II)». Приводим содержание проводимых учителем совместно с учащимися действий по недопущению попадания соединений меди в окружающую среду: «В результате реакции СиС1 + Ев = ЕвС1 + Си образуется в растворе смесь ЕвС1 и 2СиС1 голубого цвета, в которую помещают железный пр едмет (гвоздь, скрепку, кнопку) до обесцвечивания раствора. Содержимое пробирки подкисляют несколькими каплями 10% соляной кислоты для предотвращения гидролиза солей. Железные предметы с осевшей медью на их поверхности вынимают и сушат между листами фильтровальной бумаги, медь стряхивают с предметов и собирают, а раствор РеС1, частично окисленный до РеС13, отделяют фильтрованием от кусочков меди. Затем растворы солей подкисляют вновь соляной кислотой и продувают через раствор воздух резиновой грушей

для полного окисления Fе 2+ в Ев з+: 4ЕвСк + О +

2 2

+4ИС1 = 4ЕвС13 + 2Н2О. Полученный раствор хлорида железа (III) желтоватого цвета используют в лаборатории. Собранную медь промывают, высушивают на воздухе и используют в лаборатории».

Во втором примере рассматрим ученический эксперимент получения токсичного хлороводорода реакцией обмена и растворение его в воде (Артемьев, 2001), в котором избыток хлороводорода поглощается активированным углем в стеклянной трубке, его выход в классную комнату исключается.

Поскольку представлена оригинальная конструкция установки получения хлороводорода, отличающаяся от приводимых в разных учебниках, подробно остановимся на содержание работы (рис.1.): «Помещают в пробирку-реактор хлорид натрия (2-3 ложечки для сжигания) и смачивают раствором серной кислоты (3:2) с небольшим количеством ее над солью. Хлороводород при этом не выделяется. Спокойно закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой, которую соединяют с и-образной трубкой, где налита вода (1/5 ее высоты) и находится синяя лакмусовая бумага. Другое колено и-образной трубки закрывают пробкой со стеклянной трубкой и активированным углем. Пробирку-реактор прогревают и сильно нагревают верхнюю часть реакционной смеси. Уровень воды в правом колене вначале несколько повышается, наблюдается пробулькива-ние пузырьков воздуха. По мере увеличения содержания хлороводорода в газовой смеси пробульки-вание газов замедляется, затем может прекратиться совсем даже при нагревании пробирки-реактора. При несильном нагревании можно наблюдать втягивание жидкости из левого колена в правое колено И-образной трубки. Эти явления можно объяснить интенсивным растворением хлороводорода в воде. лакмусовая бумага краснеет. Реакционную массу нагревают до слабого кипения в течение 1-1,5 мин.

За это время в и-образной трубке образуется соляная кислота достаточной концентрации для проведения опытов с цинком, окидом магния, карбонатом натрия и т. д. Избыток хлороводорода полностью поглощается адсорбентом, воздух в кабинете химии остается чистым.

Рис. 1. Получение хлороводорода и растворение его в воде После получения хлороводорода, нагревание прекращают. Пробку с адсорбентом снимают с И-образной трубки и закрывают ею пробирку-реактор для поглощения остаточного хлороводорода. Установку мыть под вытяжкой после полного остывания системы, залив детали прибора известковой водой».

Ниже приводится информация по использованию и утилизации полученных в опыте продуктов реакции: «Соляную кислоту слить в склянку и использовать в лаборатории. В реакционной пробирке остается смесь сульфата и хлорида натрия, а также серная кислота. Эту смесь после растворения в воде можно использовать для обнаружения сульфат-ионов: Н^04 + ВаС12 = 2НС1 + BaS04 и демонстрации кислой среды с разными индикаторами. Смесь можно также использовать для представления свойств серной кислоты: Н^04+1п=1^04+Н2;

Н^04 + Mg0 = MgS04 + Н20;

Н^04 + Си(0Н)2 = С^04 + 2Н20. Содержащиеся в реакционной смеси другие ионы не мешают проведению указанных процессов.

После проведения названных демонстраций, содержимое пробирок переносят в емкость-нейтрализатор, в котором содержится гидроксид кальция (на дне емкости) и его водный раствор с окрашенным фенолфталеином.

В случае накопления больших количеств исходной отработанной смеси с солями и серной кислотой, ее нейтрализуют известковым молоком, а затем известковой водой до нейтральной среды с фенолфталеином. Все сливают в раковину, так как в смеси отсутствуют токсичные вещества».

любое действие в области защиты окружающей среды связано со специфическими расчетами. Для студентов - будущих учителей химии и учащихся, изучающих химию в школе, важно предложить модели подобных расчетов. Таковыми могут стать расчетные задачи типового и комбинированного характера, в которых описывается конкретная ситуация с загрязнением окружающей среды. Здесь, кроме зна-

комства с расчетными действиями, обучаемых информируют о веществе-загрязнителе, источнике его поступления, способе нейтрализации, предельно допустимой концентрации в окружающей среде и т.д.

Приводим содержание некоторых расчетных задач, предлагаемых студентам в процессе реализации нами программы экохимической подготовки будущих учителей химии. Эти задачи подобраны таким образом, что их решение не представляет трудностей для учащихся, поскольку они составлены с учетом требований школьной программы.

1. Целлюлозно-бумажный комбинат произвел сброс сточных вод. Вычислить объем хлора при нормальных условиях, необходимого для очистки 1000 м3 сточных вод от сероводорода. Концентрация Н^ в сточных водах - 0,05 мг/л.

Решение:

Н/ + С12 ^ S + 2НС1;

т (Н^) = 0,05 мг ■ 106 л = 50 г;

V (НрР) = 1,47 моль; V (С12) = 1,47 моль;

V(Сl2) = 1,47 моль . 22,4 л/моль = 32,93 л.

Ответ: V(С12)=32,93 л.

2. На нефтеперерабатывающем заводе произошел аварийный выброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Масса сброшенных продуктов составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно, что примерная масса воды в озере 10000 т. Токсичная концентрация нефтепродуктов для рыб составляет 0,05 мг/л.

Решение:

С = т/У;

С = 500 кг / 10 . 106 л=500 • 106 мг /10 • 106 л=50 мг/л. Ответ: С = 50 мг/л, что значительно больше токсичной концентрации (0,05 мг/л).

3. В сточных водах химико-фармацевтического комбината был обнаружен хлорид ртути ^С12, концентрация которого составила 5 мг/л. Для их очистки решили применить метод осаждения и в качестве осадителя использовали сульфид натрия (№^) массой 420 г. Будут ли достаточно очищены сточные воды, чтобы допустить их сброс в соседний водоем, содержащий 10 000 м3 воды? ПДК (ЩС12) = 0,0001 мг/л. Объем сточных вод 300 м3.

Решение:

ЩС12 + ^ НgSi + 2ШС1

С (ЩС12) = 5 . 10-3 г/л; Vo = 300 • 10 3 л;

т (ЩС12) = 1500 г; V (ЩС12) = 5,52 моль;

т (Ш^) = 420 г; V (Ш^) = 5,38 моль.

Согласно уравнения реакции в недостатке содержится сульфид натрия, в избытке - хлорид ртути. Останется хлорида ртути 0,14 моль, массой: 0,14 . 271,58 = 38 г. С (^С12) = 38000 мг : 300000 л = 0,127 мг/л. Это число значительно превышает ПДК. Однако при сбросе сточных вод в природный водоем концентрация хлорида ртути понизится и будет равна: 38000 мг : 10 300 000 л = 0,0037 мг/л. Полученное число также больше ПДК. Таким образом, сброс воды недопустим.

4. Выживут ли караси в озере объемом 500 000 м3, в воду которого попало 100 м3 сточных вод сернокислотного завода, содержащих 1600 кг оксида серы (VI). Токсичная концентрация серной кислоты для карасей 138 мг/л.

Решение:

т^03) = 1600 1 03 г;

V ^0) = 20 . 103 моль = V (Н/04);

т (Н^04) = 20 кмоль - 98 кг/кмоль = 1960 кг. С (Н/04)=1960 . 106 мг : 500 100 000 л = 3,92 мг/л. Ответ: С (Н^04) = 3,92 мг/л, что значительно меньше токсичной концентрации.

5. Тетраэтилсвинец - важнейший антидетонатор для двигателей внутреннего сгорания. По имеющимся данным, в ФРГ в 1969 г. в двигателях грузовых машин было сожжено около 15 млн т этилированного бензина. Рассчитайте массу выброшенного в атмосферу оксида свинца (II), если молярная концентрация антидетонатора в бензине составляет 210-3 моль/л, а плотность бензина равна 750 г/л.

Решение:

Уравнение горения:

2РЬ(С2Д5)4 + 2702 = 2РЪ0 + 20Н20 +16С02

тб = 15 4012 г; Vб = тб : р = 151012 г : 750 г/л = 2-1010 л. V (РЪ(С2Д5)4) = Vб • с(РЪ(С2Д5)4) = 2 • 1010 л • 210-3 моль/л = 4107 моль.

По уравнению реакции:

V (РЪ(С2Н5)4) = п(РЪ0) = 4107 моль; т(РЪ0) = V (РЪ0) • М(РЪ0) = 4107 моль-223 г/моль=8,92-109 г.

Ответ: т(РЪ0) = 8920 т.

Мы считаем, что представленная образовательная программа для будущих учителей химии позволит при работе с детьми реализовать как информационно-познавательный, так и практико-ориенти-рованный уровни подготовки обучаемых в системе взаимоотношений человек и окружающая среда.

список литературы:

Артемьев В.П. Химический эксперимент в школе (с утилизацией токсичных соединений): Практические задания по методике преподавания химии. Пенза, ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2001. С. 8. Артемьев В.П. Химический эксперимент в школе (с утилизацией токсичных соединений): Практические задания по методике преподавания химии. Пенза, ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2001. С. 33. Габриелян О.С. Химия-8 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2003. Габриелян О.С. Химия-9 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2002. Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н., Пономарёв С.Ю., Терё-нин В.Н. Химия-10 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2002.

Габриелян О.С. Химия-11 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2003. Назаренко В.М. Экологизированный курс химии: от темы к теме // Химия в школе. 1994. № 3. С. 13-26. Назаренко В.М., Лучинина Н.В. Школьный химический эксперимент в экологическом образовании // Химия в школе. 1994. №1. С. 69-72.

УДК 371.3:546

разработка Школьного элективного курса «теория и практика химического процесса»

А.М. ЗИМНЯКОВ, М.В. ДУНЮШКИНА Пензенский государственный педагогический университет, кафедра химии и биохимии

Модернизация российского образования предусматривает переход на старшей ступени среднего (полного) образования к профильному обучению. Согласно Концепции профильного обучения значительную роль в самоопределении учащихся играют элективные курсы.

Элективные курсы - важнейшее средство построения индивидуальных образовательных траекторий, так как в наибольшей степени они связаны с выбором каждым школьником содержания образования в зависимости от его интересов, способностей, жизненных планов.

В настоящее время ряд разделов школьной программы химии рассматривается в рамках основной школы недостаточно. Это относится, в частности, к основам термохимии, химическому равновесию, химической кинетике.

В результате у школьников возникают поверхностные, а порой и неверные знания о химическом процессе и закономерностях его протекания. Между тем на вступительных экзаменах в ВУЗы, в ЕГЭ включаются задания, для успешного выполнения которых необходимы глубокие знания по упомянутым выше темам.

Мы разработали элективный курс, включающий задачи с решениями и необходимой теоретической частью, для учащихся по теме: “Теория и практика химического процесса” в соответствии с предъявляемыми требованиями.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Основы термохимии - необходимое методичес- вые и материальные взаимоотношения этих двух какое звено программы, формирующее целостную ес- тегорий в рамках классификации систем. Связывая

тественнонаучную картину мира. Здесь необходимо тепловые эффекты химических реакций с количеств первую очередь раскрыть понятие о термодинами- вом вещества и решая задачи на применение закона

ческой системе и внешней среде, рассмотреть тепло- Гесса, мы формируем у школьника представление

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.