CC BY
59
5) записать результаты вычислений с учетом по- влияние на развитие экспериментальных умений уча-грешностей. щихся данного профиля, что делает их более мобиль-
Описанный выше подход к проведению лаборатор- ными в дальнейшей жизнедеятельности. ных работ для гуманитариев оказывает положительное
Библиографический список
1. Образовательный стандарт по физике (средняя школа и педагогический вуз). — М.: МПУ, 1993.
2. Пурышева, Н.С. Дифференцированное обучение физике в средней школе. — М.: Прометей, 1993.
3. Сидтикова, Л.М. Межпредметные связи физики и литературы как средство повышения качества знаний учащихся в гуманитарных классах: Автореф. дисс.... канд. пед. наук. — Челябинск, 1997.
4. Максимова, В.Н. Межпредметные связи в процессе обучения. — М.: Просвещение, 1988.
Статья поступила в редакцию 25.12.07.
УДК 373.102:372.8
М.Ж. Симонова, канд. пед. наук, доцент ЧГПУ, г. Челябинск
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕЖПРЕДМЕТНЫХ СВЯЗЕЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОНЯТИЯ О ВЕЩЕСТВЕ У УЧАЩИХСЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ
В статье исследуется феномен понятия «вещество» в контексте реализации межпредметных связей в процессе преподавания естественнонаучных предметов в школе.
Ключевые слова: понятия, системный анализ, атом, молекула, макроуровень, мегауровень, эпиплазма.
Усвоение школьниками системы знаний основ наук — одна из важнейших задач школьного обучения. В структуре системы знаний А.В. Усовой [1, 2] на основе логико-генетического анализа выделены следующие элементы:
1) научные факты;
2) понятия (о структурных формах материи, о явлениях, о свойствах тел и величинах их характеризующих, о методах научного исследования);
3) законы;
4)теории;
5) практические приложения теоретических знаний (технологические процессы, приборы и установки, основанные на изучаемых явлениях и законах);
6) научная картина мира.
Эти элементы системы знаний находятся в тесной взаимосвязи и являются общими для всех естественных наук. Указанные элементы находят отражение в содержании школьных естественно-научных дисциплин.
В системе знаний важнейшая роль отводится понятиям. Они образуются в результате анализа вновь открытых фактов, через системы научных понятий формулируются законы. Научные теории представляют развитые системы научных понятий. Без усвоения понятий не могут быть усвоены ни законы, ни теории. Понятия отличаются по степени сложности, общности и значимости.
Фундаментальные понятия занимают особое место в системе научных знаний. Они обладают достаточно большой степенью общности и формируются на всем протяжении изучения курсов физики и химии как много уровневые теоретические понятия. К таким понятиям относятся «вещество», «поле», «движение», «взаимодействие», «энергия», «масса», «электрический заряд» и т.п.
Фундаментальное понятие может, совершенствуясь и развиваясь, проходить, как центральное понятие, через ряд постепенно сменяющих друг друга теорий, при этом содержание этого понятия существенно опреде-
ляет структуру модели реальной действительности, создаваемой в рамках этой теории». А.В. Петров дает следующее определение фундаментальным физическим понятиям: «это центральные теоретические понятия, являющиеся непосредственной проекцией философских категорий, определяющих в самом широком плане содержание научной картины мира, на физику как науку и составляющие сущность физической картины мира как с качественной, так и с количественной стороны» [3, с. 185].
Отличительной чертой фундаментальных понятий является то, что они представляют собой итог формирования системы понятий. Поэтому процесс формирования фундаментального понятия является длительным и состоит из последовательного формирования большого числа взаимосвязанных понятий. Еще одной существенной характеристикой фундаментального понятия является то, что оно является определяющей основой целостного учебного курса (или нескольких курсов). Формирование фундаментального понятия в определенной степени может регулировать последовательность и объем содержания нескольких учебных предметов (или их значительной части).
Среди фундаментальных естественно-научных понятий, изучаемых в основной школе, мы в качестве главного выделяем понятие «вещество». В оформленном виде это многоуровневая и иерархически организованная система знаний об одном из видов материи.
Современной науке известно два вида материи — вещество и поле. Понятие «вещество» определяется как вид материи, структурные формы которого имеют массу покоя, не равную нулю. Поле, в отличие от вещества, определяется как вид материи, структурные формы которого имеют массу покоя равную нулю.
Рассмотрим понятие вещества с позиций системного анализа. В окружающем нас мире существует определенная иерархия структурных форм вещества: элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты, звезды и т.д. Именно понятие «ве-
щество» является «клеточкой», т.е. основой объекта изучения естественных наук. В формировании данного понятия принимают участие различные дисциплины. Каждая дисциплина изучает определенные структурные уровни вещества как материальной системы. В целом, рассматривая понятие «вещество», выделяют структурные уровни его организации, представленные на рис. 1.
Все уровни организации вещества объединяет общее свойство — масса. Именно она придает каждому из уровней статус вещества. Выделение же различных уровней организации вещества обусловлено особенностями структуры, состава и характером взаимодействия частиц, составляющих вещество. Это, соответственно, приводит к набору свойств, отличающих один уровень организации вещества от другого.
Элементарные частицы, а также отдельный атом и отдельная молекула — это микросистемы. Газ, жидкость, твердое тело, плазма и все, что состоит из газа, жидкости, твердого тела и плазмы — макросистемы. Планеты, звезды, галактики, Вселенная — мегасистемы.
Отдельный атом соответствует атомному уровню организации вещества. Кроме общего для любой структурной формы вещества свойства — массы — у атома имеются специфические свойства, обусловленные взаимодействиями ядро — электрон, электрон — электрон: способность отдавать и присоединять электроны (характеризующаяся энергией ионизации и сродством к электрону), поглощать и испускать энергию квантами.
Отдельная молекула соответствует молекулярному уровню организации вещества. Молекула «наследует» свойства атома — способность отдавать и присоединять электроны, поглощать и испускать энергию квантами. Однако в молекуле, в состав которой входят как минимум два ядра, возникает дополнительное взаимодействие ядро — ядро. Молекула приобретает специфи-
ческие свойства, отсутствующие у атома: способность, например, совершать колебательные движения, изменяя положение ядер в пространстве. Атом — сложная система, но она уступает по сложности молекуле. Атомы в молекуле теряют свою индивидуальность.
Множество взаимосвязанных атомов и молекул образует качественно новое состояние вещества, отличающееся от систем микромира (одиночного атома или одиночной молекулы). Макроуровень организации вещества «наследует» некоторые свойства отдельного атома и отдельной молекулы: поглощает энергию квантами, отдает и присоединяет электроны, распадается или объединяется в различные молекулярные агрегаты. Появление межмолекулярного или межатомного взаимодействия, которое отсутствовало у одиночного атома или молекулы, приводит к появлению специфических свойств макросистемы таких, как твердость, пластичность, текучесть, теплопроводность и т.д.
Внутри отдельного уровня организации вещества существуют разнообразные состояния. Так, элементарные частицы отличаются массой, знаком заряда. Атомный уровень организации вещества насчитывает 110 видов атомов, различающихся зарядом ядра, числом нейтронов в ядре, устойчивостью. Многообразие структур и состояний молекулярного уровня организации вещества достигает порядка 107. В земных условиях вещество встречается в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и виде плазмы. В современной физике высказывается предположение, что наряду с указанными состояниями вещества могут существовать и другие состояния, в частности, нейтронное состояние и эпиплазма. Всего, таким образом, считают возможным существование семи состояний:
1. Твердое, характеризирующееся упорядоченным расположением атомов, ионов или молекул;
2. Жидкое, характеризирующееся наличием ближнего порядка;
3. Газообразное, характеризирующееся отсутствием порядка в расположении молекул и атомов;
4. Плазма — смесь свободных электронов с положительными ионами или ядрами атомов;
5. Нейтронное (сверхплотное) (теоретически предсказано Л.Л. Ландау). Полагают, что оно существует в ядре Крабовидной туманности, излучающей рентгеновские лучи;
6. Антивещество и эпиплазма — предполагаемое возможное состояние вещества, состоящее из пар «частица» — «античастица». Рассматривают возможность существования таких пар при очень высоких энергиях;
7. Физический вакуум.
Структурные формы вещества, установленные и достаточно хорошо изученные современной физикой на микро- и макроуровнях представлены на рис 2.
Более крупный макроуровень организации вещества представляет планета Земля, этот уровень включает разнообразные по своей структуре, составу и свойствам части: атмосферу, гидросферу, литосферу, биосферу и протяженную оболочку, охватывающую планету — магнитосферу. Мегауровень представляют планеты, звезды, галактики, Вселенная. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегауровни. Например, Земля представляет макроуровень. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она выступает как элемент мегауровня.
На рис. 2 фигурными скобками отмечены уровни организации вещества, являющиеся объектами изучения физики, астрономии, химии и биологии.
Физика в своем аспектном ракурсе рассматривает пространственно-временные формы существования материи в двух видах — вещества и поля, а в объектном ракурсе изучает различные уровни организации вещества: микроскопический — элементарные частицы,
атомное ядро, атомы, молекулы; макроскопический — газ, жидкость, твердое тело, плазма; астрофизика изучает космические объекты мегауровня.
Рис. 2
В химии изучаются состав, строение и химические свойства на атомно-молекулярном уровне, а также свойства ассоциатов и агрегатов атомов, ионов и молекул. В биологии объектом изучения является «живое вещество». Его структура и биологические функции изучаются на различных уровнях организации, начиная с биополимеров и заканчивая биосферой.
Термин «живое вещество» введен в 1915 году В.И. Вернадским: «...я ввел в явления жизни вместо понятия «жизнь» понятие «живого вещества», сейчас. прочно утвердившиеся в науке» [4]. «Живое вещество» есть совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, числено выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии, оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением. Понятие жизнь, всегда выходит за понятие «живое вещество» в области философии и фольклора, религии, художественного творчества. Все это отпало в живом веществе» [5, с. 145]. В настоящее время экологи остро поднимают вопрос об изучении разнообразных форм переноса вещества, которые на уровне биосферы имеет колоссальное значения, что определяет необходимость единого подхода к изучению разнообразных уровней его организации в условиях школьного обучения.
Известно, что все вещества подвержены изменениям, неизменяемых веществ нет. Вместе с тем каждое имеет качественную определенность, обусловленную его природой (составом, структурой и другими сущностными признаками). Свойства — это внешнее проявление качеств вещества, позволяющее установить его сходства и различия с другими объектами.
К основным свойствам вещества относят следующие:
1. Наличие массы у частиц вещества.
2. Дискретное строение.
3. Связь с физическими полями.
4. Существование различных структурных форм вещества — макротел, молекул, атомов, ионов, ядер атомов, элементарных частиц.
5. Частицы вещества находятся в постоянном движении.
6. Определенным структурным формам вещества присущи специфические формы движения.
7. Вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях и при определенных условиях могут переходить из одного состояния в другое.
8. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом посредством физических полей.
9. Взаимопревращаемость частиц вещества.
10. Отдельные частицы (е , е+) могут превращаться в частицы поля и у-фотоны — и возможны обратные превращения.
В макроформе вещества проявляют физические и химические свойства. Физические свойства — это свойства, обусловленные масс-энергетическими изменениями: механические, тепловые, магнитные, электрические, оптические, радиоактивность. Химические свойства проявляются в химических реакциях, во взаимодействиях с другими веществами. Химические свойства характеризуются изменением состава и строения веществ.
Творческий процесс познания вещества начинался с выявления свойств веществ путем эмпирического наблюдения, затем — путем анализа выяснялся его состав, а далее путем синтеза раскрывалась его структура и внутренние существенные свойства. Данный путь познания был пройден на молекулярном уровне химическими науками, такой же цикл на уровне атомов был осуществлен физикой.
Взаимосвязи между составом, строением и свойствами выступают в триединой форме, что представлено на рис. 3:
1 — как отношение «свойства — состав»;
2 — как отношение «состав — строение»;
3 — как отношение «строение — свойства».
Рис. 3
Взаимосвязи между составом, строением и свойствами выражают структуру теоретического ядра системы знаний о веществе. Таким образом, понятие «вещество» — одно из основных понятий естественных наук, каждая из которых изучает определенную сторону этого понятия, и это изучение идет по определенному пути, единому для всего естествознания. Уровневая структура системы понятий о веществе отражает единство всеобщего, особенного и единичного. Последовательность формирования фундаментальных понятий в обучении (логика познания) в обобщенном и сжатом виде повторяет историческое их становление и развитие (история познания).
Формирование понятия «вещество» имеет огромное мировоззренческое значение. Последнее заключается в том, что на основе понятий «вещество» и «поле» объясняются разнообразные свойства материи, через эти понятия конкретизируется понятие материи. Формирование понятия у учащихся позволяет:
- глубже осмыслить взаимосвязь явлений и процессов, взаимообусловленность свойств вещества и поля, взаимопревращаемость частиц вещества;
- дать материалистическое объяснение многим природным явлениям и процессам и внести вклад в формирование естественно-научной картины мира;
- формировать теоретическое естественно-научное мышление школьников;
- реализовать политехническое образование учащихся: на основе изучения строения и свойств веществ показать использование их в интересах человека;
- осуществлять экологическое, валеологическое и нравственное образование учащихся.
Процесс формирования фундаментального понятия «вещество» длительный и многоэтапный. Понятие должно развиваться при изучении всех естественно-научных дисциплин, каждая из которых должна наполнить его своим особенным содержанием.
Важным условием успешного усвоения понятий учащимся является знание учителями верхнего уров-
ня, до которого должно быть сформировано понятие к моменту окончания школы. Выполнение этого условия позволит учителю видеть перспективу в развитии понятия и осуществлять этот процесс целенаправленно. Для фундаментальных понятий важно знать требова-
ния к знаниям о понятии по различным естественнонаучным предметам.
Нами определены требования к знаниям учащихся о веществе к моменту окончания основной школы.
ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ УЧАЩИХСЯ О ВЕЩЕСТВЕ К МОМЕНТУ ОКОНЧАНИЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ
ИЗ КУРСА ФИЗИКИ
Учащиеся должны знать:
1. Структурные виды материи: вещество и поле.
2. Свойство дискретности вещества. Взаимодействие частиц вещества.
3. Основные характеристики частиц вещества и тел (линейные размеры, объем, форма, масса, электрический заряд, наличие импульса).
4. Агрегатные состояния вещества (газообразное, жидкое, твердое, плазма). Строение веществ в различных агрегатных состояниях.
5. Основные свойства веществ в различных агрегатных состояниях:
а) Механические:
твердое агрегатное состояние: наличие определенной формы и объема, пластичность, упругость, твердость, хрупкость, прочность, жаропрочность, несжимаемость, плотность;
жидкое агрегатное состояние: способность легко входить в диффузию, текучесть, вязкость, плотность, упругость, несжимаемость, поверхностное натяжение, способность сохранять форму и объем;
газообразное агрегатное состояние: способность занимать весь предоставленный ему объем, сжимаемость, текучесть, способность легко входить в диффузию, свойства насыщенного и ненасыщенного пара.
б) Тепловые (теплопроводность, теплоемкость, тепловое расширение, поглощение и выделение энергии при изменении агрегатных состояний) и их характеристики (удельная теплоемкость вещества, удельная теплота плавления вещества, удельная теплота парообразования вещества, температуры кипения, плавления и кристаллизации вещества). Образование конвекционных потоков в жидкостях и газах. Удельная теплота сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива.
в) Электрические (способность электризоваться, способность проводить или не проводить электрический ток, удельное электрическое сопротивление (качественное определение).
г) Магнитные (способность некоторых веществ намагничиваться, магнитная проницаемость).
д) Оптические (прозрачность, оптическая плотность, поглощение, преломление, рассеяние, отражение света, люминесценция, цвет).
е) Радиоактивность.
6. Примеры использования физических свойств веществ для создания материалов с заданными качествами.
7. Проявление законов сохранения массы, энергии, электрического заряда в физических процессах.
8. Общие методы изучения веществ в естествознании: наблюдение, эксперимент, моделирование.
9. Правила гигиенически и экологически грамотного обращения с веществами в быту и на производстве.
10. Причины возникновения некоторых экологических проблем (загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами, тепловое загрязнение атмосферы и гидросферы и т.п.).
11. Иметь представления о формах движения материи, изучаемых физикой.
Учащиеся должны уметь:
1. Применять положения о дискретном строении вещества для объяснения механических и тепловых
свойств твердых тел, жидкостей и газов.
2. Объяснять тепловые явления на основе атомномолекулярного учения.
3. Объяснять электризацию тел, явления электрического тока в металлах и электролитах, электрическое сопротивление проводников на основе знаний об электронном строении вещества.
4. Объяснять условия возникновения тока в проводниках.
5. Применять знания об оптических свойствах вещества и законах преломления и отражения света для объяснения оптических явлений.
6. Объяснять радиоактивные свойства веществ на основе знаний о строении атомного ядра.
7. Уметь классифицировать вещества по физическим свойствам.
8. Применять законы сохранения массы, энергии, электрического заряда для объяснения ядерных реакций.
9. Использовать знания о составе и строении веществ для объяснения единства живой и неживой природы и их взаимосвязи.
10. Использовать знания о физических свойствах веществ для их применения и предсказания их воздействия на окружающую среду, предлагать способы предупреждения вредного воздействия.
ИЗ КУРСА ХИМИИ
Учащиеся должны знать:
1. Структурные уровни организации вещества, изучаемые химией (атомы, молекулы, ассоциаты и агрегаты атомных и молекулярных частиц).
2. Строение веществ на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях:
- строение атома (ядро и электронная оболочка), химические элементы, строение атомов химических элементов (от водорода до кальция), изотопы;
- виды химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая;
- типы кристаллических решеток: молекулярные, атомные, ионные, металлические.
3. Характеристики атомов химических элементов, отражающие их состояние в соединениях (электроотрицательность, степень окисления, валентность).
4. Причины многообразия веществ: различия качественного и количественного состава, различия в строении при одинаковом составе (структурная изомерия).
5. Причинно-следственную зависимость между составом, строением и свойствами веществ, их применением и воздействием на окружающую среду.
6. Классификацию веществ по составу и свойствам (простые и сложные, неорганические и органические, металлы и неметаллы, оксиды, кислоты, основания, соли, углеводороды, спирты, карбоновые кислоты; биологически важные соединения: углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты). Иметь представление о функциональных группах органических соединений (галоген-, гидроксо-, карбоксильная и аминогруппы).
7. Физические и химические свойства конкретных классов изученных неорганических и органических соединений. Взаимосвязь между органическими и неорганическими веществами.
8. Количественные характеристики веществ (масса, относительная атомная и молекулярная масса, молярная
масса, объем, молярный объем, количество вещества).
9. Основные положения атомно-молекулярного учения. Закон сохранения массы и превращения энергии при химических реакциях. Основные стехиометрические закономерности (для проведение простейших расчетов по химическим формулам и уравнениям).
10. Периодический закон и периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева, ее значение для развития науки и техники. Физический смысл порядкового номера, номеров периода и группы. Закономерности изменения свойств химических элементов в пределах: а) периода, б) главной подгруппы, в) периодической системы в целом.
11. Закон сохранения электрического заряда в химии. Понятие об окислителях и восстановителях. Понятие об электролитах. Причины проявления общих свойств кислотами, причины проявления общих свойств щелочами.
12. Общие методы изучения веществ: наблюдение, эксперимент, моделирование.
13. Понятие об анализе и синтезе веществ.
14. Способы получение некоторых веществ в лаборатории и промышленности.
15. Правила гигиенически и экологически грамотного обращения с веществами в лаборатории, быту и на производстве. Сведения о токсичности и пожарной опасности наиболее распространенных веществ.
16. Проблемы химического загрязнения окружающей среды, понятие о предельно допустимых концентрациях вредных веществ (ПДК). Причины возникновения некоторых экологических проблем (кислотные дожди, озоновые дыры, металлизация биосферы и др.) и возможные пути их решения.
17. Иметь представления о химической форме движения материи.
Учащиеся должны уметь:
1. Выражать состав и строение веществ с помощью химических формул (электронных, молекулярных, графических).
2. Объяснять строение веществ на атомном, молекулярном, макромолекулярном уровнях.
3. Уметь классифицировать вещества по составу и химическим свойствам.
4. Объяснять подчинение законам сохранения массы, энергии, электрического заряда при всех хими-
ческих превращениях вещества.
5. Использовать химические знания для доказательства единства живой и неживой природы и их взаимосвязи.
6. Объяснять круговороты химических элементов и их нарушение в результате деятельности человека, предлагать способы снижения вредного воздействия на человека и окружающую среду.
7. Получать некоторые вещества в лаборатории и проводить экспериментальное исследование важнейших химических свойств неорганических и органических веществ, а также генетических связей между ними.
8. Соблюдать правила безопасной работы при работе с веществами и оказывать первую помощь при химических ожогах и отравлениях веществами.
ИЗ КУРСА БИОЛОГИИ
Учащиеся должны знать:
1. Содержание понятие «живое вещество».
2. Структурные уровни организации «живого вещества»: биомолекулы, клетки, ткани, органы, организмы, биосфера.
3. Биологические свойства «живого вещества» (саморегуляция, самовоспроизведение, способность обмениваться с внешней средой энергией, веществом, информацией).
4. Законы функционирования «живого вещества». Иметь представление об обмене веществ на различных уровнях его организации.
5. Круговорот веществ и поток энергии в биосфере, его значение для функций «живого вещества». Нарушения круговоротов вещества и энергии в результате хозяйственной деятельности людей, способы предупреждения вредного антропогенного воздействия на среду.
6. Иметь представление о биологической форме движения материи.
Знание требований позволяет увидеть вклад каждого предмета в формирование понятия и выступает основой реализации МПС в процессе формирования фундаментального понятия «вещество».
Большое значение данного понятия, определяет то, что на первый план выходит методологический аспект МПС, которые выступают важнейшим условием формирования диалектического мировоззрения, методологической культуры обучаемых, умений и навыков осуществлять анализ явлений материального мира.
Библиографический список
1. Усова, А.В. Психолого-дидактические основы формирования физических понятий: Пособие к спецкурсу. — Челябинск: Изд-во ЧГПИ «Факел», 1988.
2. Усова, А.В. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения. — М.: Педагогика, 1986.
3. Петрова, О.П. Методика реализации преемственности в развитии фундаментальных понятий у студентов педвуза в курсе общей физики: Дис... канд. пед. наук.— Челябинск, 1988.
4. Вернадский, В.И. Живое вещество.— М.: Советская Россия, 1978.
5. Вернадский, В.И. Начало и вечность жизни.— М.: Советская Россия, 1989.
Статья поступила в редакцию 19.01.08.
УДК 371:351.851
П.Н. Карплюк, канд. пед. наук, доцент ГАГУ, г. Горно-Алтайск
ЕДИНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКЗАМЕН (2001-2007 гг.) — ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИТОГИ
Эксперимент по введению ЕГЭ на территории России проводится с 2001 года. За семь лет регионами-участниками накоплен значительный эмпирический материал, нуждающийся в анализе, систематизации, обобщении. В статье предпринята попытка сравнить поставленные задачи с полученными результатами.
Ключевые слова: единый государственный экзамен, эксперимент, федеральный уровень, региональный уровень, ссузы
Эксперимент по введению единого государственного переходным периодом, а с 2009 года ЕГЭ переходит в экзамена близится к завершению. 2008 год объявлен штатный режим. На территории Российской Федера-
