Интегративный подход в обучении курса общей химии в вузе

Автор: Гермогенова Н.И., Егорова К.Е.

Журнал: Вестник Бурятского государственного университета. Философия @vestnik-bsu

Рубрика: Теория и методика обучения естественно-математическим дисциплинам

Статья в выпуске: 15, 2009 года.

Бесплатный доступ

Данная статья ставит целью обобщение опыта использования интегративного подхода к обучению курса общей химии на основе модульной технологии. Представлены результаты и краткий анализ знаний студентов-первокурсников по общей химии на примере студентов I курса биологических специальностей Якутского государственного университета.

Интегративный подход, модульная технология, внутри-, межпредметная интеграция, общая химия, биологические специальности

Короткий адрес: https://sciup.org/148178732

IDR: 148178732

Текст научной статьи Интегративный подход в обучении курса общей химии в вузе

В концепции модернизации российского образования отмечено, что образование в его неразрывной органической связи с наукой становится все более мощной движущей силой экономического роста, повышения эффективности и конкурентноспособности народного хозяйства, что делает его одним из важнейших факторов национальной безопасности страны, благополучия каждого гражданина [1]. При этом единство научного и учебного процессов является необходимым условием развития личности, гармоничной подготовки специалиста высокой квалификации. В связи с этим к современной подготовке специалиста в области образования предъявляются серьезные требования. Одной из главных задач в рамках классического университетского образования становится подготовка специалиста-исследователя, сочетающего в себе фундаментальность, связь с передовыми научными исследованиями, возможность междисциплинарного взаимодействия [2]. Такая постановка к подготовке специалистов нацеливает на то, что одним из тенденций в обучении в вузе становится интегративный подход. Как известно, на современном этапе интеграция становится основной тенденцией развития общества, науки и образования. Тесное взаимодействие и взаимопроникновение наук позволили наиболее концентрированно и целесообразно использовать их возросшую мощь и большие потенциальные возможности. Как отмечено в литературных источниках, интегративные процессы затронули и естественные науки. Сегодня сложно определить грани между химией и биологией, физикой и химией, что вызвало к жизни многие смежные науки: биологическую химию, физическую химию, химическую экологию и другие .

По мнению А.П. Беляевой, интеграция предопределяет взаимопроникновение, взаимосвязь и единство идей, целей, содержания образования и процесса подготовки [3]. Интегративный подход, который используется в учебном процессе, рассматривается как объединение и синтез компонентов содержания изучаемых дисциплин, их внутри- и межпредметный характер, обобщение на уровне фактов, понятий, законов, теорий и идей. На наш взгляд, такой подход способствует формированию целостной системы обобщенных знаний, способов и видов деятельности, что содействует углублению и развитию целостной гуманитарной и естественнонаучной картины мира, овладению студентами способами добывания и интерпретации научной информации.

В системе профессионального образования использование интегративного подхода требует поиска востребованных технологий, форм и методов организации учебного процесса, которые способствовали бы организации самостоятельной деятельности студента по освоению содержания.

Успешному решению этой задачи способствует экспериментальная работа по применению модульной технологии при обучении курса общей химии студентов биологических специальностей.

Литературные источники показывают, что концепция модульного обучения разработана американским исследователем Дж. Расселом. Он рассматривает модуль как учебный пакет, охватывающий концептуальную единицу учебного материала. В 60-е гг. ХХ века в США технология модульного обучения получила широкое распространение. В основе этой технологии лежали идеи: а) смешанного программирования; б) блочной подачи учебного материала; в) прямой и обратной связи; г) сочетания контроля и самоконтроля.

В отечественной педагогике проблему модульного обучения разрабатывали П. Юцевичене, М.А. Чошанов, Т.И. Шамова и др. [4, 5, 6].

Термин «модуль» в этимологическом словаре трактуется как «сжатие, компоновка знаний в удобном для использования виде». В педагогической литературе существуют различные точки зрения на понимание учебного модуля. На наш взгляд, учебный модуль – это относительно самостоятельный блок учебной информации, включающий в себя цели и учебные задачи, методические рекомендации, ориентировочную основу действий и средства контроля (самоконтроля) успешности выполнения учебной деятельности.

Обращение к теории и практике модульного обучения позволило нам совершенствовать процесс обучения курса общей химии, организовывая самостоятельную работу студентов, опираясь на их знания и разрабатывая технологию модульного обучения.

Наша идея основывается на несомненных достоинствах модульной технологии: цели обучения точно соотносятся с достигнутыми результатами каждого студента; разработка модулей уплотняет учебную информацию и представляет ее блоками перед студентами; каждый студент работает по индивидуальному темпу учебной деятельности; производится поэтапный модульный контроль знаний и умений, что дает определенную гарантию эффективности обучения. При таком подходе достигается определенная «технологизация» процесса обучения химии, и обучение в меньшей степени становится зависимым от педагогического мастерства преподавателя. Также этот подход позволяет использовать возможность рейтингового контроля знаний студентов.

Таким образом, студент самостоятельно или с некоторой помощью преподавателя достигает конкретных целей в учебно–познавательном процессе во время работы с модулем. При этом разбиение на модули предоставляет каждому студенту выбрать уровень выполнения заданий (А, В, С), темп усвоения учебного материала по предмету, тем самым создаются условия для достижения конечного результата сообразно своим индивидуальным особенностям.

Содержательная часть модулей представляет внутри- и межпредметную интеграцию блоков. Так, например, внутрипредметная интеграция представлена учениями о направлениях химических процессов – химическая термодинамика (модуль 1), которую можно рассматривать во взаимосвязи с другими модулями как учение о строении атома, вещества (модуль 6) и т.п.;

Межпредметная интеграция при рассмотрении этих модулей представлена взаимосвязью таких дисциплин, как физика (физические законы, в частности I и II начала термодинамики, закон Гесса), математика (алгебраические расчеты), биология (термодинамика окислительновосстановительных процессов в живых организмах).

Основная идея нашей работы состоит в том, чтобы, с одной стороны, научить студентов биологических специальностей описывать, объяснять химические объекты и явления с помощью современных теорий о строении веществ и общих законов (периодического, сохранения массы и энергии), предсказывать направление и скорость химических реакций, а с другой – оценивать изучаемый материал с позиций его значимости для будущей профессиональной деятельности.

Для реализации данной идеи нами сконструировано содержание курса общей химии для биологических специальностей, в основу которой положен принцип модульного обучения на основе внутри- и межпредметной интеграции.

Наше видение этой структуры представлена на рис. 1, из которой видно, что каждый модуль состоит из модульных единиц и модульных элементов.

Каждый модуль имеет свое инвариантное содержание и вариативную часть. Приведем в качестве примера содержание инвариантной и вариативной части модуля 1 «Введение в общую химию. Элементы химической термодинамики и равновесия. Химическая кинетика» в табл. 1.

Таблица 1

Содержание инвариантной и вариативной части модуля 1 «Введение в общую химию. Элементы химической термодинамики и равновесия. Химическая кинетика»

Инвариантное содержание

Вариативная часть

1. Основные понятия и законы химии (закон эквивалентов).
2. Основные термодинамические понятия, определения (термодинамическая система, термодинамические параметры системы, энтропия, скорость химических реакций и др.).
3. I и II законы термодинамики.
4. Закон Гесса, его следствия.
5. Энергия Гиббса как критерий самопроизвольного протекания химических процессов.
6. Закон действующих масс, кинетические уравнения реакций.
7. Молекулярность и порядок реакций.
8. Зависимость скорости реакций от природы веществ, температуры, катализатора.
9. Катализ гомогенный, гетерогенный, ферментативный.
10. Особенности кинетики биохимических реакций.
11. Химические равновесия и условия его смещения. Константа химического равновесия

1. Следствия и границы применения термодинамических законов в рассмотрении обмена веществ и энергии в живых системах.
2. Термохимические и термодинамические расчеты биохимических реакций.
3. Экспериментальные способы определения теплового эффекта химического процесса в реакциях неорганических веществ.
4. Определение изменения энергии Гиббса в реакциях, протекающих в живых организмах. Возможность определения протекания той или иной реакции при стандартных условиях.
5. Экспериментальное подтверждение зависимости скорости реакции от различных факторов, условия смещения химического равновесия в биологических системах.
6. Расчетные задачи, основанные на использовании теоретических знаний по кинетике.
7. Способы выражения константы равновесия для различных биохимических, физико-химических процессов.
8. Фактологический материал о термодинамике и кинетике биохимических реакций.
9. Роль и значение термодинамических знаний для химического познания и применения химических знаний в биохимии

I ПРЕДМЕТ ОБЩЕЙ ХИМИИ I

I МОДУЛИ I

МОДУЛЬ 1

Введение в общую химию. Элементы химической термодинамики и равновесия. Химическая кинетика

МОДУЛЬ 2 Учение о растворах

МОДУЛЬ 3 Основные типы равновесий и процессов

МОДУЛЬ 4 Окислительно-восстановительные процессы и равновесия

МОДУЛЬ 5 Физико-химия дисперсных систем. Коллоидно-дисперсные системы

МОДУЛЬ 6 Строение атома.

Учение о периодичности. Химическая связь.

Комплексные соединения

МОДУЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ

1. Основные понятия и законы химии.
2. Законы термодинамики и кинетики.
3. Термодинамическая и кинетическая характеристика реакций.
4. Состояние химического равновесия.

Принцип Ле-Шателье

1. Основные понятия о растворах. Растворимость
2. Концентрация растворов.
3. Коллига-тивные свойства растворов

1. Протолитические равновесия и процессы.
2. Гетерогенные равновесия и процессы.

1. Окислительно-восстановительные процессы.
2. Окислительно-восстановительные потенциалы.

1. Виды дисперсных систем.
2. Природа коллоидного состояния

1. Периодический закон, периодическая система элементов. s-, p-, d-элементы.
2. Группы комплексных соединений.
3. Лигандообменные процессы

МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ		МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ		МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ		МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ		МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ		МОДУЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1. Атомы, химическая связь, молекулы, вещества, межмолекулярные взаимодействия. 2. Эквивалент. Молярная масса эквивалента. Закон эквивалентов. 3. Термодинамические системы, параметры, процессы. 4. Cкорость химических реакций. Факторы влияющие на скорость. 5. Смещение химического равновесия. Константа химического равновесия		1. Способы выражения концентрации растворов. 2. Диффузия. Осмос. Осмотическое давление. 4. Давление насыщенного пара растворителя над раствором. 5. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов.		1. Свойства сильных и слабых электролитов. 2. Буферные системы организма, их механизм действия, особенности. 3. Условия образования и растворения осадков		1. Ионноэлектронный метод рассмотрения ОВР. 2. Окислительно-восстановительный потенциал и энергия Гиббса.		1. Получение и свойства коллоидных растворов. 2. Коллоидная защита, коагуляция		1. Свойства соединений s-, p-, d-элементов 2. Комплексо-образовательная способность s-, p-, d-элементов. 3. Металлолигандный баланс

Рис. 1. Модульная структура курса общей химии

В этом модуле главным системообразующим фактором является блок знаний о химической реакции, а объяснительную функцию несут термодинамические и кинетические теории и законы, раскрывающие сущность процессов. Данный модуль является основополагающим для биологических специальностей, т.к. в центре изучения курса общей химии акцент делается на разные биохимические процессы, протекающие в живом организме, термодинамические и кинетические факторы, способствующие поддержанию гомеостаза, т.е. стационарного, а не равновесного состояния, объяснение которым дают термодинамические и кинетические законы. В данном блоке теория непосредственно связана с практикой: всевозможные расчеты, решение химических, химико-биологических задач на основе термодинамики и кинетики, методы экспериментального определения теплового эффекта химических и физико-химических процессов, экспериментальное подтверждение и установление кинетических закономерностей. Эти знания имеют важное значение и широкое применение для изучения других курсов химии и для объяснения многих биологических вопросов [7].

В качестве примера рассмотрим деятельность студентов по модулю 1 «Введение в общую химию. Элементы химической термодинамики и равновесия. Химическая кинетика».

Модуль № 1 Введение в общую химию . Элементы химической термодинамики и равновесия . Химическая кинетика Комплексная цель: в результате овладения содержания модуля № 1 вы будете: знать основные закономерности протекания химических процессов; владеть теорией основных стехиометрических, термодинамических, кинетических законов уметь решать качественные и расчетные задачи по теме. Литература Основная: 1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учебник для вузов / Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд, А.З. Книжник; под ред. Ю.А. Ершова. – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2003. – 560 с. 2. Литвинова Т.Н. Сборник задач по общей химии: учеб. Пособие – М.: Оникс; Мир и образование, 2007. – 224 с. 3. Артеменко А.И. Справочное руководство по химии: справ. пособие / А.И. Артеменко, И.В. Тикунова, В.А. Малеванный. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2003. – 367 с. Дополнительная: 1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред. А.И. Ермакова. -30-е изд., испр. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 728 с. 2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии / Н.Л. Глинка. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 240 с. Занятие № 3. Элементы химической термодинамики
	Учебный материал с указанием заданий	Рекомендации по выполнению заданий, оценка
УЭ-0	Цель занятия: изучить энергетику химических реакций и направленность химических процессов	Внимательно прочитайте цель занятия. Запишите дату, название занятия № 3
УЭ-1	Цель: изучить тепловые эффекты химических реакций. Энтальпия. Закон Гесса и его следствия. Изучите материал по учебнику и лекциям. Закрепите материал по плану: Термодинамическая система Открытые, закрытые и изолированные системы Первое начало термодинамики Закон Гесса Следствия закона Гесса Выполните задание: По каким критериям подразделяют системы на: а) открытые; б) закрытые; в) изолированные? Приведите характеристику каждой из вышеуказанных систем. Что такое внутренняя энергия системы? Укажите основные составляющие этой величины. Приведите математическое выражение первого начала термодинамики Изменению какой функции состояния равен тепловой эффект: а) изохорно-изотермического процесса; б) изобарно-изотермического процесса (выведите математическое выражение первого начала термодинамики). Сформулируйте основной закон термохимии – закон Гесса. Укажите условия, для которых справедлив закон Гесса. Что такое энтальпия (теплота) образования химического соединения? При каких условиях эта величина называется стандартной энтальпией образования вещества?	Самостоятельно Литература: № 1 – с. 10-21 № 2 – с. 39-41, 44-49

Сформулируйте первое следствие закона Гесса. Приведите математическое выражение.

Что такое энтальпия (теплота) сгорания химического соединения?

При каких условиях эта величина называется стандартной энтальпией сгорания вещества?

Сформулируйте второе следствие закона Гесса. Приведите математическое выражение.

Решите задачи:

Уровень А

1.4.1. (Т) Укажите, энтальпия каких реакций соответствует стандарт

ной энтальпии образования вещества:

а) 2Mg (к) + 2C (графит) +3O 2(г) = 2MgCO 3(к) ;

∆ H⁰ 1 = -2191,70 кДж.

б) MgО₍ _к ₎ + CО₂₍ _г ₎ = MgCO₃₍ _к ₎; Тренируйтесь по памяти

∆ H⁰ 2 = -100,85 кДж.

в) Mg (к) + C (графит) +3/2O 2(г) = MgCO 3(к) ;

∆ H⁰ 3 = -1095,85 кДж.

Уровень В

1.4.2. На основе закона Гесса решите задачу: ^{Выполняйте письменно в тетрадях для}

Даны следующие термохимические уравнения: ^СРС

ZnSO 4(к) + 7H 2 O (ж) = ZnSO 4 ^. 7H 2 O (к) ;

∆ H⁰ 1 = ∆ H⁰ (гидратации) = -96,15 кДж.

ZnSO 4 ^. 7H 2 O (к) + 493H 2 O (ж) = ZnSO 4(р-р) ;

∆ H⁰₂ = ∆ H⁰₍растворения₎ = +18,87 кДж.

По этим данным вычислите стандартную энтальпию растворения

безводного сульфата цинка ZnSO₄₍ _к ₎.

Уровень С

1.4.3. Вычислите стандартную энтальпию сгорания углекислого газа

СО₂ (_г) , используя приведенные ниже данные:

СО (_г) + 1/2О₂ (_г) = СО₂ (_г) ;

∆ H⁰ сгор -364,6 ? кДж/моль

1.4.5. Вычислите значение ∆ Н⁰₂₉₈ для протекающих в организме

реакций превращения глюкозы:

а) С₆Н₁₂О₆₍ _к ₎ = 2СО₂₍ _г ₎ + 2С₂Н₅ОН₍ _ж ₎

∆ Н⁰ f -1260 -393,5 -278 (кДж/моль)

б) С₆Н₁₂О₆ (_к) + 6О₂ (_г) = 6СО₂ (_г) + 6Н₂О (_г)

∆ Н⁰ f -1260 0 -393,5 -242

(кДж/моль)

УЭ-2

Цель: изучить направленность химических процессов

2.1. Изучите материал по учебнику и лекциям.
2.2. Закрепите материал по плану: Самостоятельно
- 2.2.1. Второе начало термодинамики Литература:
- 2.2.2. Энтропия – как мера беспорядка в системе и критерий само- № 1 – с. 21-32 произвольного протекания процесса в изолированной системе. № 2 – с. 39-41, 50-53
- 2.2.4. Изменение энтропии при химических процессах и фазовых переходах.
- 2.2.5. Факторы, определяющие направление протекания процесса.
- 2.2.6. Энергия Гиббса и направленность процессов.
2.3. Выполните задания:
- 2.3.1. Укажите термодинамические факторы, которые определяют направление протекания химических процессов при заданных условиях.
- 2.3.2. Энтропия, физический смысл этой функции. Изменение энтропии ∆ S как критерий, определяющий направление процесса в изолированной системе.
- 2.3.3. Критерий самопроизвольного протекания изобарноизотермического процесса. Взаимосвязь энергии Гиббса с энтальпией и энтропией.
- 2.3.4. Что такое стандартная энергия Гиббса образования вещества ∆ G⁰ f (Х)?
- 2.3.5. Напишите формулу для вычисления стандартного изменения энергии Гиббса реакции по известным стандартным энергиям Гиббса образования веществ.
2.4. Решите задачи:

Уровень А

2.4.1. Не производя вычислений, установите знак изменения энтро- Тр^енируй^{тесь по памяти}пии следующих процессов:

а) СО (_г) + Н₂О (_г) → СО₂ (_г) + Н₂ (_г) ,
б) СаО (_к) + Н₂О (_г) → Са(ОН)₂ (_к)
_в) 2NH₃₍ _г ₎ _→ N₂₍ _г ₎ + 3H₂₍ _г ₎, Выполняйте письменно в тетрадях для
г) СО 2(к) → СО 2(г) ^СРС

Уровень В

2.4.2. Вычислить изменение энтропии для реакции:

3H 2(г) + N 2(г) = 2NH 3(г)

S⁰ 298 (Дж/моль^.К) 130,5 199,9 192,6

Будет ли данная реакция самопроизвольно протекать в изолированных системах?

2.4.3. Вычислить энергию Гиббса для химической реакции:

4Al (к) + 3CО 2(г) = 2Al 2 О 3(к) + 3C (к)

∆ G⁰_{f, 298} 0 -394,6 -1583,3 0 кДж/моль

Устойчив ли алюминий в атмосфере углекислого газа?

Уровень С

2.4.4. Рассчитайте ∆ Н⁰, ∆ S⁰ и ∆ G⁰ для реакции образования метана из углекислого газа и водорода:

СО₂₍ _г ₎ + 4Н₂₍ _г ₎ = СН₄₍ _г ₎ + 2Н₂О₍ _ж ₎

∆ Н⁰ f -393,5 0 -84,85 -285,84 кДж/моль

∆ Н⁰_c 0 -286 -882 0 кДж/моль

∆ G⁰ f -394,4 0 -50,79 -237,2 кДж/моль

S⁰ 213,68 130,58 186,19 70,08 Дж/моль^.К

используя разные доступные способы расчета.

2.4.5. Рассчитайте ∆ Н⁰, ∆ S⁰ и ∆ G⁰ в процессе усвоения в организме человека сахарозы, который сводится к ее окислению:

С₁₂Н₂₂О₁₁ (_к) + 12О₂ (_г) = 12СО₂ (_г) + 11Н₂О (_ж)

∆ Н⁰ f -2222 0 -393,5 -285,84

∆ G⁰ f -1545 0 -394 -237,2

S⁰ 360 205 70 214

используя разные доступные способы расчета.

УЭ-3

Подведение итогов работы по модулю № 1

3.1. Прочитайте цель занятия.
3.2. Достигли ли вы ее?
3.3. Оцените уровень усвоения материала по модулю № 1: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно».
3.4. Выберите домашнее задание в зависимости от того, как успешно вы усвоили материал:

1. Проработаю материал модуля еще раз.
2. Буду прорабатывать модуль № 2.
3. Выполню творческое задание, подготовлю выступление на следующем аудиторном занятии.

Творческое задание: подготовить выступление по теме: «Направленность химических процессов в биологических системах».

Ваша оценка усвоения материала модуля № 1 «___»

По желанию

Оценка до 5 баллов

После работы по нашей технологии студенты выполняют промежуточные контрольные срезы.

Полученные количественные показатели контрольных работ мы затем подвергли статистической обработке, опираясь на работы Дж.Гласа, Дж.Стэнли [8], А.А. Кыверялга [9]. Для сравнения эффективности предлагаемой методики мы опирались на обобщенные (интегративные) характеристики усвоения представленных модулей или их совокупности. Для того чтобы выявить общую картину усвоения курса общей химии на основе единой программы обучения, но по разным технологиям, мы посмотрели динамику среднего балла студентов обучающихся по специальности «Биология» (БО) и «Биология с дополнительной специальностью “Химия”» (БХ). Нам важно было отметить влияние интегративно-модульного подхода на качество обучения этих двух групп. Результаты отчетливо показывают положительное влияние использования интегративно-модульного подхода на качество знаний студентов по курсу общей химии и некоторую динамику его изменений в лучшую сторону.

Экспериментальная методика обучения курса общей химии биологических специальностей, основанная на идеях интегрально-модульного подхода, профессиональной направленности, максимально активизировала деятельность студентов по блочному усвоению химических знаний, развитию их интеллектуальных умений. Работа по модульной технологии позволила нам добиться того, что студент в процессе такой организации работы учится анализировать изучаемые процессы и явления; устанавливать химические закономерности и принципы функционирования приборов, аппаратов; правильно выполнять и оценивать результаты эксперимента, расчетных задач; объяснять суть явлений и устанавливать внутри- и междисциплинарные химико-биологические связи.

Статья научная