CC BY
147
Международный электронный научный журнал ISSN 2307-2334 (Онлайн)
Адрес статьи: pnojournal.wordpress.com/archive15/15-03/ Дата публикации: 1.07.2015
№д3312.6С. 72" А. А. Мдшиньян, Н. В. Кочергина
Когнитивная технология формирования знании о естественнонаучных теориях
Выясняется статус естественнонаучных теорий в системе метапредметных знаний и их значение для развития когнитивной сферы учащихся. Приводится концептуальная система естественнонаучных теорий в общем образовании. Обосновывается выбор когнитивных технологий как наиболее подходящих для формирования знаний о естественнонаучных теориях.
Приводятся определения когнитивных технологий, выясняются их цели и структура. Рассматриваются компоненты модели построения когнитивных технологий, направленных на формирование знаний о естественнонаучных теориях. Раскрыты наиболее общие компоненты когнитивной технологии формирования знаний о естественнонаучной теории: цели обучения и механизмы их реализации, логическая организация процесса внутри каждого этапа, проектирование когнитивного взаимодействия учителя с каждым учеником и др. и соответствующие структуры когнитивных схем.
Теоретические аспекты создания когнитивных технологий формирования знаний о естественнонаучных теориях проиллюстрированы на примере формирования знаний о квантовой теории в курсе физики и теории химического процесса в курсе химии.
Ключевые слова: метапредметные знания, естественнонаучная теория, когнитивная технология, когнитивная сфера учащихся, компонентная модель построения когнитивных технологий, когнитивная схема, квантовая теория, теория химического процесса
Perspectives of Science & Education. 2015. 3 (15)
International Scientific Electronic Journal ISSN 2307-2334 (Online)
Available: psejournal.wordpress.com/archive15/15-03/ Accepted: 1 June 2015 Published: 1 July 2015 No. 3 (15). pp. 72-81.
A. A. M A s Hi N ' i A N, N. V. KocHERGINA
Cognitive technology of knowledge formation about natural science theories
It transpires status of natural sciences theories in system of metasubject knowledge and their importance for development of students cognitive sphere. Is given a conceptual system of natural sciences theories in general education. Substantiates the choice of cognitive technologies for guaranteeing of knowledge building about natural science theories.
Is given the definition of cognitive technologies. Identified the specific goals and the structure of these technologies. Is considered component model of building cognitive technologies aimed of knowledge formation about natural scientific theories. Disclosed the most common components of cognitive technology of formation of knowledge about natural scientific theory: the learning objectives and mechanisms of their implementation, the logical organization of process inside each stage, the designing of cognitive interaction of the teacher with each student, et. and adequate them structures of cognitive schemes.
The theoretical aspects of creating of cognitive technologies of knowledge formation about natural science theories are illustrated by the example of formation of knowledge about quantum theory in the course of physics and the theory of chemical processes in course of chemistry.
Keywords: metasubject knowledge, natural scientific theories, cognitive technology, cognitive sphere of pupils, component model of building cognitive technologies, cognitive scheme, quantum theory, theory of chemical process
1. Обоснование выбора технологии формирования знаний о естественнонаучных теориях
нания о естественнонаучных теориях являются важной составляющей метапред-метных знаний, формирование которых у учащихся средней школы является требованием Федеральных государственных образовательных стандартов, как основного, так и общего среднего образования. Значение метапредметных знаний обусловлено их вкладом в развитие когнитивной сферы учащихся, а именно различных видов интеллекта, мышления и памяти.
В дидактике и частных методиках традиционно выделяются следующие виды метапред-метных знаний: общенаучные термины, знания о структуре знаний, знания о методах научного познания. Все они входят в содержательный блок естественнонаучных дисциплин, в том числе физики, химии, биологии и курса есте-сшознания для старшей школы. В этот блок знания должны включаться в виде системы. В науке системы знаний — это последовательно развивающиеся научные теории. Каждая естественнонаучная дисциплина — отражение науки как системы знаний, адаптированное с учетом возрастных возможностей школьников. Системность отдельных естественных наук находит отражение в соответствующих курсах для средней школы. Поэтому в содержание естественнонаучной дисциплины входят, прежде всего, концептуальные системы отдельных естественных наук (табл. 1).
Таблица 1
Концептуальные системы естественных наук
Область естествознания Концептуальная система
физика классическая механика, статистическая физика, классическая электродинамика, квантовая физика
химия учение о составе, структурная химия, учение о химическом процессе, эволюционная химия
биология натуралистические концепции, концепция структурных уровней организации живой природы, концепции физико-химической биологии, концепция эволюционной биологии
Таким образом, усваивая концептуальные системы естественных наук, учащиеся развивают свое мышление и когнитивную сферу в це-ром. Какие технологии наиболее подходят для формирования у учащихся знаний о естественнонаучных теориях?
В педагогике в разные исторические периоды создавалось и предлагалось много технологий,
методик' щ методов обучения. В нетете 21' века
наиболее популярными были так называемые активные технологии, активизирующие учебную, в том числе мыслительную деятельность школьников: технологии развивающего обучения, проблемного обучения, поисково-исследовательские технологии, технологии проектов, игровая технология и др. [1]. Некоторые из них были проанализированы и распространены на предметную область обучения физике в пособии «Современные технологии обучения физике» [2].
В настоящее время основным условием эффективности педагогической технологии признается ее когнитивная направленность, в этом смысле имеют в виду когнитивные технологии в образовании. В широком смысле когнитивные технологии понимаются как способы и алгоритмы достижения целей субъектов, опирающиеся на данные о процессах познания, обучения, коммуникации и другие. Целью когнитивных технологий является развитие когнитивной сферы учащихся, а именно различных видов интеллекта, памяти и мышления (вербального и невербального, индуктивного и дедуктивного, творческого и репродуктивного и т.п.).
Одним из представителей этого направления в образовании является М.Е. Бершадский. Приведем его определение: «Когнитивная образовательная технология является общепедагогической предметно независимой индивидуально ориентированной образовательной технологией, обеспечивающей понимание ребенком окружающего мира путем формирования системы когнитивных схем, необходимых для успешной адаптации к жизни в современном информационном обществе» [3].
Когнитивные технологии в этом подходе характеризуются наличием содержательной и процессуальной составляющих, модульностью представления содержания обучения, измерением состояний субъектов обучения до и после применения технологий, наличием когнитивных схем, регламентирующих деятельность учащихся.
Когнитивная технология имеет модульную структуру. Модуль — это система уроков, объединенных общей дидактической целью. Модуль делится на три блока, на каждом из которых решается определенная дидактическая задача: блок входного мониторинга; теоретический блок (изучение декларативной информации); процессуальный блок (изучение процедурной информации) [3]. Особенностью входного мониторинга является наличие когнитивного мониторинга, определяющего базовые когнитивные характеристики интеллекта.
Обучение М.Е. Бершадский рассматривает как процесс формирования когнитивных схем, соответствующих тем видам информации, которые необходимо научиться воспринимать и перерабатывать для адекватного реагирования
на1требоваНия окружаюшиХ^^'К'Огнятйвная^Хе— ма ¡(когнитивная карта) — образ знакомого пространственного окружения, который создается и видоизменяется в результате активного взаимодействия субъекта с окружающим миром. Другими словами, когнитивная схема — средство, с помощью которого человек воспринимает информацию.
Термины «когнитивная схема» и «когнитивная карта» предложены в 1948 году в работе американского психолога Э. Толмена «Когнитивные карты у крыс и человека» [4]. С тех пор вплоть до наших дней когнитивные схемы и когнитивные карты разрабатываются и совершенствуются психологами и педагогами разных стран, в том числе, применительно к технологиям обучения.
Новый подход к пониманию, проектированию и созданию когнитивных педагогических технологий самим учителем раскрыт в монографии «Системно-технологический подход в оптимизации содержания учебного предмета «Фи-зцка» (общее образование)» [5], отражающей результаты нашего исследования. Определение
Модель создания когнитивн
когнитивной педагогической технологии приведено в статье «Комплексные средства обучения физике как основа когнитивных технологий». «Когнитивной педагогической технологией обучения будем считать педагогическую технологию, основной задачей которой является организация и реализация в образовательном процессе воспроизводимой и гарантирующей результат когнитивной деятельности школьников, сопряженной с преодолением естественного когнитивного барьера темы или вопроса учебной программы» [6, с. 81].
Для создания когнитивных педагогических технологий учитель должен овладеть основными компонентами специальной модели создания таких технологий и механизмами их реализации. В составе модели внимание учителя должно быть акцентировано на пяти компонентах педагогической технологии: целеполагание, определение эффективных условий, логическая организация образовательного процесса, материально-техническое обеспечение, ориентация образовательного процесса на конечный результат. Для разработки каждого компонента учителю предлагается специальный механизм (табл. 2).
Таблица 2
й педагогической технологии
Компонент Механизм разработки компонента педагогической технологии
I. Целеполагание - определение роли и места учебного материала в природе, науке и технике; - определение роли и места учебного материала в программе и ФГОС; - формулировка оперативных целей и задач изучения
II. Определение эффективных условий - анализ состояния учеников на входе технологии и на выходе; - выяснение психолого-педагогических барьеров; - определение когнитивных механизмов достижения каждой цели и задачи
Ж Когнитивная организация образовательного процесса - выделение логических этапов достижения целей; - постановка промежуточных целей и задач для каждого этапа; - логическая организация процесса внутри каждого этапа; - проектирование когнитивного взаимодействия учителя с каждым учеником
IV. Материально-техническое обеспечение - выбор средств обучения, отвечающих потребностям каждого этапа; - создание комплекса средств обучения по всей теме; - разработка техники использования каждого средства обучения
V. Ориентация образовательного процесса на конечный результат - соответствие учебного процесса целям и задачам, роли и месту; - соответствие учебного процесса эффективным условиям; - соответствие учебного процесса материально-техническому обеспечению; - определение достижения целей и задач каждого этапа; - определение достижения целей и задач технологии
Цели обучения в рамках названных когнитивных технологий формулируются в соответствии с требованиями ФГОС к освоению курса естествознания:
1) формирование представлений о целостной современной ЕНКМ;
2) формирование представлений о наиболее важных открытиях и достижениях в области естествознания;
3) формирование умений применять естественнонаучные знания для объяснения окружающих явлений, сохранения здоровья, бережного отношения к природе;
4) формирование представления о научном методе познания природы, средствах и приемах наблюдений и опытов, и оценки достоверности полученных результатов;
5) формирование понятийного аппарата естественных наук для участия в дискуссиях и критического отношения к научной информации в сообщениях СМИ;
6) формирование понимания значимости естественнонаучных знаний для каждого человека, умений различать факты и оценки, видеть их связь с критериями оценки и связь последних с определенной системой ценностей [7].
рКоГниТивНшёРШханизмш досТижЕИЯР®к1ждбй Щели и каждой задачи при изучении естественно-■рУчных теорий могут быть сформированы конкретизацией приведенной обобщенной схемы:
1) обобщение и систематизация знаний физики, химии и биологии вокруг фундаментальных естественнонаучных теорий и вокруг целостной естественнонаучной картины мира;
2) изучение истории естествознания, фундаментальных опытов и наблюдений, современного состояния производственных технологий, базирующихся на естественнонаучных знаниях;
3) решение качественных и количественных задач естественнонаучного и экологического содержания, выполнение творческих проектов;
4) выполнение виртуального и натурного эксперимента в предметной области естествознания;
5) организация и проведение диспутов, дискуссий, семинаров, игр с использованием материала учебной, научно-популярной литературы и СМИ;
6) использование разных форм организации обучения для знакомства учащихся с системами экологических, этических и эстетических ценностей, других элементов системы нравственных норм и идеалов;
7) приобретение практического опыта соотнесения учебного материала с элементами нравственной системы ценностей.
Логическая организация процесса внутри каждого этапа соответствует логике процесса обучения, выделяемой в зависимости от дидактической цели:
1) при изучении нового материала — актуализация старых знаний, изучение нового материала, закрепление новых знаний, контроль достижений;
2) при формировании умений — актуализация старых знаний и умений, формирование новых умений, контроль и коррекция сформированных умений;
3) при обобщении и систематизации знаний — актуализация старых знаний, обобщение и систематизация знаний, контроль и коррекция системы знаний;
4) при контроле и коррекции знаний и умений — актуализация старых знаний и умений, контроль и коррекция знаний и умений.
Проектирование когнитивного взаимодействия учителя с каждым учеником осуществляется исходя из состояния знаний и умений каждого учащегося, общих когнитивных барьеров и когнитивных барьеров, выделенных для Ишкретного ученика. В процессе когнитивного взаимодействия осуществляется коррекция зна-^ий и умений учащихся.
Основу когнитивных схем составляет структура естественнонаучной теории. Естественнонаучная теория имеет три блока: основание, ядро, интерпретация. В основании представле-
Ны даМЙиричеШие^факты, исторические опыты, послужившие основой для становления теории, и основные понятия. Ядро содержит основные законы теории и фундаментальные принципы, например принципы сохранения и симметрии. В интерпретации содержатся следствия из законов: теоретические, практические, технически!! экологические и другие, имеющие прикладной характер для физики. Теоретические следствия, кроме прочего, характеризуют границы применимости теории.
Все рассмотренные выше компоненты технологии и механизмы их реализации: цели обучения, логическая организация процесса внутри каждого этапа, проектирование когнитивного взаимодействия учителя с каждым учеником и др., а также структуры когнитивных схем относятся к когнитивной технологии формирования знаний о любой естественнонаучной теории.
Все теоретические аспекты создания когнитивных технологий формирования знаний о естественнонаучных теориях проиллюстрированы на примере формирования знаний о квантовой теории и формирования знаний о теории химического процесса.
2. Когнитивная технология формирования знаний о квантовой теории
Квантовая теория — фундаментальная физическая теория, которая имеет в своем составе несколько частных физических теорий. В школьном образовании представлены, главным образом, теория квантовых свойств света, теория атома, теория атомного ядра, теория элементарных частиц. Такое деление соответствует традиционному структурированию содержания квантовой физики в школе и позволяет выделить соответствующие модули.
Внешние связи квантовой теории образуют фундаментальные понятия (масса, скорость, импульс, энергия), законы (сохранения, взаимосвязи) и принципы (симметрии, дополнительности). Опора на эти связи позволяет интенсифицировать процесс обучения. Внутренние связи квантовой теории образуют общие понятия и законы, принципы, характерные для квантовой физики. К ним относится корпуску-лярно-волновой дуализм микрочастиц и относительный характер пространственно-временного промежутка, абсолютный характер интервала, связывающего пространство, время и материю.
Квантовая теория как фундаментальная физическая теория изучается в курсах физики основной школы (9 класс) и старшей школы (11 класс). В теории и методике обучения физике этой теории посвящено много исследований! Поэтому мы не анализируем представленность всех ее аспектов в наиболее распространенных ¿учебниках физики: В.4. Перышкнна«. и ЕМ.
ГррйГряЯ основной шкоЯЙ), Г.Я."' Мякишева и Б.Б. Буховцева (для старшей школы).
Когнитивная схема изучения квантовой теории строится в соответствии со структурой ¡естественнонаучной теории (схема 1).
Когнитивная технология формирования у ¡учащихся знаний о квантовой теории имеет пять компонентов.
I. Целеполагание. В квантовой физике отражены квантовые представления о материи, ее ¡корпускулярно-волновом дуализме, релятивистские представления о пространстве и времени, современные представления о взаимодействии, его обменном характере.
Знания этой теории позволяют развивать атомную энергетику, строить космические ра-
кеты, исследовать космическое пространство с помощью ИСЗ, использовать радиоактивны'®! элементы в науке, медицине, производстве.
В образовательном процессе знания квантовой теории позволяют сформировать представления о современной квантово-полевой картине мире, знания структуры вещества на уровне атомного ядра и элементарных частиц, знания физических законов атомного и ядерного мира и их применения в науке и технике. Теория изучается непосредственно после классической электродинамики, и ею завершается изучение курса физики и естествознания.
Цели обучения соответствуют целям, сформулированным во ФГОС, они приведены выше.
Интерпретация: природные, технологические, экологические и др. следствия
Применение фотоэффекта, фоторезисторы, фотография. Применение лазеров.
Применение радиоактивных веществ в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ядерный реактор. Развитие атомной энергетики. ¡Биологическое действие радиоактивных превращений. Физика и охрана окружающей среды.
Ядро: основные законы и принципы
1. Законы фотоэффекта А.Г. Столетова.
2. Закон фотоэффекта А. Эйнштейна.
3. Постулаты Н. Бора.
4. Закон радиоактивного распада.
5. Закон сохранения зарядового и массового чисел в ядерных реакциях.
6. Законы сохранения энергии и импульса в ядерных реакциях.
Основание: исторические опыты и основные понятия
Исторические опыты А.Г. Столетова, П.Н. Лебедева, Э. Резерфорда, Э. Ферми, и др. Основные понятия:
- фотон, фотоэффект, давление света;
- атом, модель атома водорода, лазеры;
- радиоактивность, альфа-, бета- и гамма-излучения, радиоактивные превращения;
- изотопы, нейтрон, атомное ядро, модель атомного ядра, ядерные силы, энергия связи, ядерные реакции, деление и синтез ядер.
- элементарные частицы, античастицы.
Схема 1. Когнитивная схема квантовой теории
II. Определение эффективнъх условий.
Состояние учащихся до начала процесса обучения характеризуется знаниями и умениями в областях классической механики, молекулярной физики, термодинамики и классической электродинамики. После его окончания состояние учащихся характеризуется знаниями и умениями в областях квантовых свойств света, атома, атомного ядра и элементарных частиц.
К когнитивным барьерам изучения квантовой теории относятся: плохая наглядность объектов микромира, их корпускулярно-волновой шуализм, невозможность проведения натурного ¡эксперимента по большинству вопросов темы.
III. Когнитивная организация образовательного процесса. Этапы достижения целей необходимо выделять в соответствии со структурой квантовой теории:
1-ый этап — изучение квантовых свойств света; шШ-ой этап — изучение атома;
3-ий этап — изучение атомного ядра;
4-ый этап — изучение элементарных частиц.
Такая логика изучения материала соответствует историческому развитию квантовой теории. Она позволяет в процессе изучения материала реализовывать важные дидактические принципы, такие как «от простого к сложному»; «от частного к общему (индуктивного восхождения)».
Промежуточные цели и задачи для каждого этапа формулируются в соответствии с программой изучения указанных тем в курсах физики и естествознания.
IV. Материально-техническое обеспече-ние. Выбор средств обучения, отвечающих п|Я| требностям каждого этапа, осуществляется при непосредственной опоре на содержание каждого этапа с учетом возможностей материально-теЗЯ нического обеспечения школы. Наряду с традЙЦ ционными средствами обучения, представлен-
кВрН в программах по ' фйзйкН и®позВ8ЛяющймЙ Проводить демонстрационный и лабораторный йКсперименты, особую значимость для данной кюрии приобретает виртуальный эксперимент. Отметим большие возможности и хорошее качество виртуального эксперимента по квантовой теории, представленного на сайте [8].
Виртуальный эксперимент имеет четкую последовательность действий. Например, в эксперименте «Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций» сначала предлагается рассмотреть установку для наблюдения треков частиц при помощи камеры Вильсона. Для этого нужно выделять курсором отдельные приборы и знакомиться с их назначением. Затем нажать курсором на изображение камеры Вильсона, при этом возникнет ее крупное изображение в соседнем окне, на котором подробно указаны вЦ составляющие. Работа камеры Вильсона наблюдается при нажатии на ее поршень. При этом в соседнем окне появляются треки альфа-, бета- и гамма-частиц. Нажимая на кнопку «далее», получают фотографии и изображение треков альфа-частиц, по которым можно определить радиус кривизны и направление движения частиц. Последнее позволяет качественно установить и сравнить удельные заряды частиц и сделать вывод о том, какие частицы оставили такие треки.
Комплекс средств обучения по данной теме позволяет охватить весь спектр натурных и виртуальных экспериментов, а также включает печатные средства, среди которых большую популярность в последнее время завоевывают рабочие тетради. Для придания учебной работе в этой теме наиболее продуктивного характера каждое рабочее место кабинета физики необходимо оснастить планшетом или ноутбуком с подключенными датчиками. В ходе опыта цифровые датчики измерительных устройств отправляют информацию в компьютер, где она подвергается цифровой обработке. При этом практически мгновенно появляется возможность строить таблицы и графики на экране компьютера в ручном и (или) автоматическом режиме и сравнивать их с эталонными образцами. Техника использования каждого средства обучения изложена в традиционных и новейших учебных пособиях.
3. Когнитивная технология формирования знаний о теории химического процесса
Теория или учение о химическом процессе в качестве основного объекта имеют химическую кинетическую систему, которая описывается с помощью понятия химического процесса и зако-¡йомерности — зависимости химических свойств вещества от его состава, структуры и организа-
ьиаимы.
Внешние связи учения о химическом процессе образуют фундаментальные понятия атомно-молекулярного учения в химии (химического явления, химического элемента, химического соединения, валентности, химической формулы, сведения об основных классах неорганических соединений), законы (зависимости свойств вещества от его состава и зависимости свойств вещества от его структуры, периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева) и принципы (сохранения и симметрии). Опора на эти связи позволяет организовать пропедевтику в изучении этой темы.
Внутренние связи учения о химическом процессе образуют общие понятия и законы, принципы, характерные для данного учения. К ним относятся понятия химического уравнения, химической реакции, видов химических реакций, скорости химической реакции, катализа, химического равновесия.
Теория химического процесса «проходит» через весь школьный курс химии. Рассмотрим, как раскрыта эта теория в наиболее распространенном УМК по химии автора О.С. Габриеляна. В основной школе теория начинает изучаться в 8 классе. Так в учебном пособии О.С. Габриеляна [9, с. 88-134], этой теории посвящены две главы: «Изменения, происходящие с веществами» и «Скорость химических реакций. Химическое равновесие». В них вводятся основные понятия теории химического процесса:
— химические реакции, их виды (эндотермические и экзотермические, соединения и разложения, замещения и обмена, гомогенные и гетерогенные, каталитические),
— химические уравнения (молекулярные и ионные),
— скорость химической реакции (катализаторы и ингибиторы),
— обратимые и необратимые реакции, химическое равновесие, управление химическими реакциями,
— кислоты, основания, соли и др.
Рассматриваются основные законы этой теории: закон сохранения массы вещества; закон зависимости скорости химической реакции от природы реагирующих веществ; закон зависимости скорости химической реакции от концентрации; закон зависимости скорости химической реакции от температуры, (правило Вант-Гоффа); закон Бертолле, принцип Ле Шателье. На основе указанных выше понятий и законов формируются умения производить расчеты по химическим реакциям. Для этого предлагаются практические работы: «Признаки химических реакций», «Получение водорода и его свойства», «Получение и свойства кислорода».
При изучении других тем курса химии происходит развитие представлений теории химического процесса. Например, изучается процесс электролитической диссоциации, ионные реак-
ции ^^равнения, реакций нейтрализации. 'ЗаТем рассматриваются типичные реакции кислот, оснований, основных и кислотных оксидов, реакции солей, окислительно-восстановительные реакции.
В курсе химии 9 класса [10, с. 44-46] теория химического процесса продолжает развиваться: при изучении всех основных групп химических элементов, выясняются наиболее свойственные им реакции. Рассматривается материал прикладного значения, например получение металлов и виды металлургических производств (пиро-, ЛЬро- и электрометаллургия). Предлагаются практические работы, связанные с изучением химического процесса: «Осуществление цепочки химических превращений», «Получение и свойства соединение металлов», «Экспериментальные задачи по распознаванию и получению веществ» и др.
В старшей школе в 10 классе изучается органическая химия. «Органическая химия — это химия углеводородов и их производных, т.е. продуктов, образующихся при замене водорода в молекулах этих веществ другими атомами или группами атомов» [11, с. 9]. В данном пособии в первом параграфе «Предмет органической химии» рассматривается реакция фотосинтеза, выясняется значение фотосинтеза для возникновения и поддержания жизни на Земле. Большую часть материала учебника занимает теория строения органических соединений Бутлеро-ва-Кекуле-Купера и соответствующие ей прикладные вопросы темы, например «Получение и свойства ацетилена», «Нефть и способы ее переработки». Все представленные в этой теме химические реакции в полной мере относятся и к теории химического процесса, благодаря чему продолжается ее освоение на органическом уровне.
В 11 классе изучается обобщающий курс химии [12]. Вторая глава «Химические реакции» полностью посвящена теории химического процесса. В ней изучаются все те же понятия и законы, что и в курсе 8 класса, но на более высоком теоретическом уровне. Дается определение химической реакции: «Химическая реакция или химическое явление — это процесс, в результате которого из одних веществ образуются другие вещества, отличающиеся от исходных по составу или строению, а, следовательно, и по свойствам» [12, с. 112]. Рассматриваются новые виды реакции: реакции изомеризации, гидролиза и его роль в организации жизни на Земле.
Учебное пособие по общей химии 11 класса [13] опирается на знания, полученные учащимися в 8-10 классах. В нем представлена заключительная часть авторского курса, ведущая идея которого — единство органической и неорганической химии на основе общих понятий, законов и теорий. Учебник содержит базовый и углубленный уровни рассмотрения материа-
ла. В третьей главе «Химические реакции» изложены рассмотренные выше аспекты теории химического процесса. Более того весь материал представлен в систематизированном виде. В частности, указаны основания классификации химических реакций:
1. По числу и составу реагирующих веществ (реакции, идущие без изменения состава вещества — изомеризации и реакции, идущие с изменением состава вещества — соединения, разложения, замещения, обмена).
2. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества (с изменением — окислительно-восстановительные реакции и без изменения — реакции ионного обмена).
3. По тепловому эффекту (экзотермические и эндотермические).
4. По агрегатному состоянию реагирующих веществ — фазовому составу (гетерогенные и гомогенные).
5. По участию катализаторов (некаталитические и каталитические).
6. По направлению (необратимые и обратимые).
7. По механизму протекания (радикальные, цепные, ионные).
8. По виду энергии инициирующей реакции (фотохимические, радиационные, электрохимические, термохимические) [13, с. 100-114].
Мировоззренческий потенциал учебного пособия обогащен понятием «энтропия» и выяснением вопроса: «Почему происходят химические реакции?» Под энтропией понимаетсЦ сила, связанная со стремлением любой системы к наиболее вероятному состоянию, которое характеризуется максимальным беспорядком [13, с. 122]. На вопрос о причине химической реакции авторы пособия отвечают так:
1. Направление химической реакции определяется двумя факторами: стремлением к уменьшению внутренней энергии с выделением энергии и стремлением к максимальному беспорядку, то есть к увеличению энтропии.
2. Эндотермическую реакцию можно заставить идти, если она сопровождается увеличением энтропии.
3. Энтропия увеличивается при повышении температуры. И особенно сильно при фазовых переходах: твердое-жидкое, твердое-газообразное.
4. Чем выше температура, при которой производят реакцию, тем большее значение будет иметь энтропийный [13, с. 124].
В данном пособии подробно рассматривается основной закон химический кинетики норвежских ученых К. Гульдберга и П. Ваа-ге и русского физика Н.И. Бекетова, теория электролитической диссоциации С. Аррени-уса. Практические приложения теории химического процесса представлены крупными
разделами, рассматривающими вклад химии в промышленность и сельское хозяйство, и ее значение для решения проблем охраны окружающей среды.
На'основе'струкЯурьгесте^
ории — основание, ядро, интерпретация — когнитивная схема теории химического процесса может быть представлена так (схема 2).
Интерпретация: природные, технологические, экологические и др. следствия
Роль фотосинтеза и гидролиза для обеспечения жизни на Земле.
Значение химии для промышленности и сельского хозяйства: получение металлов, переработка нефти, получение пестицидов и др. Химия и охрана окружающей среды.
Ядро: основные законы и принципы
1. Закон сохранения массы вещества.
2. Закон зависимости скорости химической реакции от природы реагирующих веществ.
3. Закон зависимости скорости химической реакции от концентрации (закон действующих масс).
4. Закон зависимости скорости химической реакции от температуры (правило Вант-Гоффа).
5. Закон Бертолле: необратимость гомогенных реакций.
6. Принцип Ле Шатилье: направление смещение химического равновесия.
7. Закон возрастания энтропии.
Основание: исторические опыты и основные понятия
Исторические опыты М.В. Ломоносова, Вант-Гоффа, Бертолле, Ле Шателье, К. Гульдберга и П. Вааге, Н.И. Бекетова, С. Аррениуса и др. Основные понятия:
- химические реакции и их виды (эндотермические и экзотермические, соединения и разложения, замещения и обмена, гомогенные и гетерогенные, каталитические, изомеризации, гидролиза, фотохимические, радиационные, электрохимические, термохимические);
- химические уравнения (молекулярные и ионные);
- скорость химической реакции (катализаторы и ингибиторы);
- обратимые и необратимые реакции, химическое равновесие, управление химическими реакциями;
- кислоты, основания, соли и др.;
- углеводороды
Схема 1. Когнитивная схема теории химического процесса
Когнитивная технология формирования у учащихся знаний о теории химического процесса состоит из пяти компонентов.
I. Целеполагание. В теории о химическом процессе отражены: представления о химических реакциях, правила выполнения вычислений по химическим уравнениям, приемы и способы управления скоростью химических реакций, явление химического равновесия.
Знания этой теории позволяют осуществлять расчет химических реакций на химических заводах, определять выход продукта (например, на известково-обжигательном заводе). Создавать и внедрять в промышленное производство катализаторы, создавать технологии получения важных для отечественной экономики химических соединений (таких, например, как серная кислота или углеводородные полимеры).
В образовательном процессе знания теории о химическом процессе позволяют сформировать представления о химических реакциях, их видах, способах составления химических уравнений на основе закона сохранения массы вещества, проведения вычислений по химическим уравнениям, скорости химических реакций, яв-шении катализа и химического равновесия.
Теория изучается непосредственно после или совместно с элементами атомно-молекулярного учения, элементами теорий состава вещества и
строения вещества, после нее изучаются технологические процессы, например производство серной кислоты.
II. Определение эффективных условий. Состояние учащихся до начала процесса обучения характеризуется знаниями и умениями в областях атомно-молекулярного учения, в том числе теории состава вещества и теории строения вещества, периодического закона химических элементов. После его окончания состояние учащихся характеризуется знаниями и умениями в областях химических реакций (их видов и расчета), скорости химических реакций и управление этой скоростью, явления химического равновесия.
К когнитивным барьерам изучения теории о химическом процессе относятся: достаточно высокая формализация химических явлений, их запись в виде уравнений химической реакции; сложности и большого объема периодической системы химических элементов, позволяющей определять валентность химических элементов; невозможность проведения целого ряда химических реакций в условиях школы из-за недостатка реактивов или вредности продукта реакции.
III. Когнитивная организация образовательного процесса. Этапы достижения цвя лей целесообразно выделять в соответствии со структурой теории химического процесса:
1-ыйР* — изучениейхямическихреакций и их расчет (на основе закона сохранения массы вещества и отношений масс веществ, вступивших в реакцию и получившихся в реакции);
2-ой этап — изучение типов химических реакций (разложения, соединения, замещения);
3-ий этап — выполнение расчетов по химическим формулам и уравнениям (моль, закон Аво-гадро, расчет относительной плотности газов, вычисления по химическим уравнениям, тепловой эффект химической реакции);
4-ый этап — скорость химических реакций (катализ, химическое равновесие).
Такая логика изучения материала позволяет реализовать принципы «от простого к сложному»; «от частного к общему (индуктивного восхождения)». Промежуточные цели и задачи для каждого этапа формулируются в соответствии с программой изучения указанных тем в курсах химии и естествознания.
IV. Материально-техническое обеспече-ние. Каталог учебного оборудования по химии представлен в книге [14]. Из него рекомендуется выбирать средства обучения, отвечающие потребностям каждого этапа, в том числе натуральные объекты, модели, наборы химических реактивов, материалов и др. Здесь же представлен примерный перечень оснащения кабинета химии [14, с. 261-268].
Среди мультимедийных средств обучения химии наиболее распространены компакт-диски «Уроки химии Кирилла и Мефодия (8-9 классы) и «Уроки химии Кирилла и Мефодия (10-11 классы), электронные приложения к учебникам химии, и сетевые ресурсы по химии, например, виртуальная образовательная лаборатория [8].
Образовательные интерактивные работы позволяют учащимся проводить виртуальные эксперименты по химии и другим предметам в двумерном или в трехмерном пространстве. Такие лабораторные работы особенно важны для опытов и экспериментов, которые в натуральном виде сложно или невозможно провести в условиях школы, но они имеют большое образовательное значение. Интерактивные работы по химии позволяют повысить качество школьного образования, сэкономить финансовые ресурсы,
создать безопасную, экологически чистую среду. Виртуальные лабораторные работы можно! демонстрировать в классе во время лекции как уточняющее дополнение к натурным материалам. Понятно, что для проведения виртуальных лабораторных работ (фронтальных или практикума) рабочие места учеников, должны быть оборудованы планшетами, ноутбуками или стационарными ПК (например, в компьютерном классе, в том числе возможно использование глобальной или локальной компьютерной сети). Виртуальные лабораторные работы можно проводить с учащимся в условиях дистанционного обучения.
Большие возможности интерактивные лабораторные работы имеют для формирования при изучении химии универсальных умений учащихся в свете требований ФГОС [15]. В частности, проведение такой лабораторной работы, при наличии компьютерной сети, допускает выполнение в реальном времени контроля над действиями ученика с последующим подробным анализом полученных им результатов. Болф подробно о возможностях цифровых химических лабораторий описано в журнале «Химия в школе» [16]. В виртуальной химической среде становятся доступными эффекты, невообразимые для натурного опыта. Меняя начальные параметры и условия протекания опыта в интерактивной лаборатории, пользователь в 3D режиме может видеть изменения в химической среде, как результат своих действий.
Таким образом, естественнонаучные теории относятся к метапредметным знаниям дисциплин естественнонаучного цикла. Их усвоение направлено на развитие когнитивной сферы учащихся. Когнитивные технологии имеют своей целью развитие когнитивной сферы. В этой связи, формировать знания о естественнонаучных теориях целесообразно в рамках именно когнитивных технологий. Когнитивные технологии строятся! на основе соответствующей компонентной модели, которая реализуется посредством специальных механизмов. Наполняя содержанием каждый компонент, можно построить когнитивную технологию формирования знаний о любых естественнонаучных теориях.
ЛИТЕРАТУРА
Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учебное пособие для студентов пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров / Е.С. Полат, М.Е. Бухаркина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров; Под ред. Е.С. Полат. М.: Издательский центр «Академия», 1999. 224 с.
Современные технологии обучения физике: Учебное пособие. / Н.В. Кочергина, А.А. Машиньян и др.; Под ред. Н.В. Кочергиной. Благовещенск: БГПУ 2008. 98 с.
Сайт М.Е. Бершадского. URL: http://bershadskiy.ru/index/kognitivnaja_obrazovatelnaja_tekhnologija/0-27 (дата обращения 15.05.2015).
Когнитивная схема / Словари и энциклопедии на академике. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/973221/%D0%9A %D0%BE%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%85%D0%B5% D0%BC%D0%B0 (дата обращения 15.05.2015).
Машиньян А.А., Кочергина Н.В. Системно-технологический подход в оптимизации содержания учебного предмета «Физика» (общее образование): Монография. М.: ИСМО, 2014. 116 с.
Машиньян А.А., Кочергина Н.В. Комплексные средства обучения физике как основа когнитивных технологий // Перспективы науки и образования. 2014. № 6. С. 79-90.
-федевальй^ыйдйсуйадстйенный о^^бразоватвяьйыыйсйанйарт среднего общего образования. URL: http;//xn--80abucjiibhv9a.
ХПИщацРдаНШрращения 15.05:2015). " 1
8. Виртуальная образовательная лаборатория. URL: http://www.virtulab.net/ (дата обращения 15.05.2015).
9. Габриелян О.С. Химия: 8 класс: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. М.: Дрофа, 1997. 208 с.
10. Габриелян О.С. Химия. 9 класс: Учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. 10-е изд., перераб. и доп. МйЗ Дрофа, 2005. 267 с.
11. Габриелян О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: Учеб. для общеобразоват. учреждений /О.С. Габриелян. М.: Дрофа, 2009. 191 с.
12. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: Учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. М.: Дрофа, 2009. 223 с.
13. Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия. 11 класс: Учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова. 5-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2005. 362 с.
14. Иллюстрированный каталог учебного оборудования для школ [Текст]: Физика. Биология. Химия. География. Математика / В.М. Константинов и др. 3-е изд., испр. и доп. М.: Варсон, 2006. 385 с.
15. Волкова С.А., Куприянова Н.С., Пустовит С.О. Формирование универсальных умений учащихся в свете требований ФГОС // Химия в школе. 2014. №1. С. 61-69.
16. Волкова С.А., Пустовит С.О. Химический эксперимент нового поколения на основе цифровых лабораторий // Химия в школе. 2013. №4. С. 50-55.
8.
9.
10. 11. 12. 13.
14.
15.
16.
REFERENCES
Novye pedagogicheskie i informatsionnye tekhnologii v sisteme obrazovaniia: Uchebnoe posobie dlia studentov ped. vuzov i sistemy povysh. kvalif. ped. kadrov / E.S. Polat, M.E. Bukharkina, M.V. Moiseeva, A.E. Petrov; Pod red. E.S. Polat [New pedagogical and information technologies in education: a textbook for students of pedagogical universities and the system of advanced training of pedagogical staff / E. S. Polat, M. E. Bukharkina, M. V. Moiseeva, A. E. Petrov; ed. by E. S. Polat.]. Moscow, Akademiia Publ., 1999. 224 p.
Sovremennye tekhnologii obucheniia fizike: Uchebnoe posobie. / N.V. Kochergina, A.A. Mashin'ian i dr.; Pod red. N.V. Kocherginoi [Modern technologies of teaching physics: a tutorial / N.V. Kochergina, A.A. Mashin'ian, etc.; Under the editorship of N.V. Kochergina]. Blagoveshchensk, BGPU Publ., 2008. 98 p.
Sait M.E. Bershadskogo [Website M. E. Bershadsky]. Available at: http://bershadskiy.ru/index/kognitivnaja_obrazovatelnaja_ tekhnologija/0-27 (accessed 15 May 2015).
Kognitivnaia skhema / Slovari i entsiklopedii na akademike [Cognitive schema / Dictionaries and encyclopaedias on the Academica]. Available at: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/973221/%D0%9A%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D 1 %82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0 (accessed 15 May 2015). Mashin'ian A.A., Kochergina N.V. Sistemno-tekhnologicheskii podkhod v optimizatsii soderzhaniia uchebnogo predmeta «Fizika» (obshchee obrazovanie): Monografiia [Systemic-technological approach in optimizing the content of the subject "Physics" (General education): Monograph]. Moscow, ISMO Publ., 2014. 116 p.
Mashin'ian A.A., Kochergina N.V. Comprehensive means of teaching physics as a basis for cognitive technologies. Perspektivy nauki i obrazovaniia - Perspectives of science and education, 2014, no. 6, pp. 79-90 (in Russian).
Federal state educational standard of General secondary education. Available at: http://xn--80abucjiibhv9a.xn--p1ai/ (accessed 15 May 2015).
Virtual educational laboratory. Available at: http://www.virtulab.net/ (accessed 15 May 2015).
Gabrielian O.S. Khimiia: 8 klass: Ucheb. dlia obshcheobrazovat. ucheb. zavedenii [Chemistry: Grade 8: a Textbook for secondary schools]. Moscow, Drofa Publ., 1997. 208 p.
Gabrielian O.S. Khimiia. 9 klass: Ucheb. dlia obshcheobrazovat. uchrezhdenii / O.S. Gabrielian. 10-e izd., pererab. i dop. [Grade 9: a
Textbook for educational institutions / O. S. Gabrielyan. 10th ed., Rev. and add.]. Moscow, Drofa Publ., 2005. 267 p.
Gabrielian O.S. Khimiia. 10 klass. Bazovyi uroven': Ucheb. dlia obshcheobrazovat. uchrezhdenii /O.S. Gabrielian [Chemistry. 10
class. Basic level: a Textbook for educational institutions /O. S. Gabrielyan]. Moscow, Drofa Publ., 2009. 191 p.
Gabrielian O.S. Khimiia. 11 klass. Bazovyi uroven': Ucheb. dlia obshcheobrazovat. uchrezhdenii / O.S. Gabrielian [Chemistry. 11.
Basic level: a Textbook for educational institutions / O. S. Gabrielyan]. Moscow, Drofa Publ., 2009. 223 p.
Gabrielian O.S., Lysova G.G. Khimiia. 11 klass: Ucheb. dlia obshcheobrazovat. uchrezhdenii / O.S. Gabrielian, G.G. Lysova. 5-e
izd., stereotip. [Chemistry. Grade 11: a Textbook for educational institutions / O.S. Gabrielyan, G.G. Lysova. 5-e Izd., stereotype].
Moscow, Drofa Publ., 2005. 362 p.
Illiustrirovannyi katalog uchebnogo oborudovaniia dlia shkol [Tekst]: Fizika. Biologiia. Khimiia. Geografiia. Matematika / V.M. Konstantinovidr. 3-eizd., ispr. idop [Illustrated catalogue of educational equipment for schools [Text]: Physics. Biology. Chemistry. Geography. Mathematics / V. M. Konstantinov, etc. 3-e Izd., Rev.]. Moscow, Varson Publ., 2006. 385 p.
Volkova S.A., Kupriianova N.S., Pustovit S.O. the development of universal skills of students in the light of the requirements of the FSES. Khimiia v shkole - School chemistry, 2014, no. 1, pp. 61-69 (in Russian).
Volkova S.A., Pustovit S.O. Chemical experiment of a new generation based on digital labs. Khimiia v shkole - School chemistry, 2013, no.4, pp.50-55 (in Russian).
Информация об авторах Машиньян Александр Анатольевич
(Россия, Москва) Доктор педагогических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Институт стратегии развития образования РАО E-mail: [email protected]
Information about the authors
Mashin'ian Aleksandr Anatol'evich
(Russia, Moscow) Doctor of Pedagogical Sciences Professor, Leading Researcher Institute of Education Development Strategy [email protected]
Кочергина Нина Васильевна
(Россия, Москва) Доктор педагогических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Институт стратегии развития образования РАО E-mail: [email protected]
Kochergina Nina Vasil'evna
(Russia, Moscow) Doctor of Pedagogical Sciences Professor, Leading Researcher Institute of Education Development Strategy E-mail: [email protected]
