К вопросу формирования познавательных универсальных учебных действий учащихся в процессе выполнения учебно-исследовательской деятельности по химии на занятиях факультатива

Действующий федеральный образовательный стандарт в качестве образовательных результатов обучения обозначает формирование познавательных универсальных учебных действий (УУД), непосредственно связанных со способностью выпускника средней общеобразовательной школы продолжать самообразование в течение всей жизни [1]. К таким умениям относят: способность формулировать цель, осуществлять поиск и критический анализ информации, делать выводы на основе полученных результатов. Поэтому, с одной стороны, познавательные УУД представляют собой педагогические категории обобщённого характера. С другой стороны, формирование данной группы умений происходит в процессе освоения приёмов работы с содержанием конкретных учебных предметов.

Комплексный характер познавательных УУД предполагает включение учащихся в различные виды учебной деятельности, включая учебно-исследовательскую. Такой подход эффективен при сочетании урочных форм и внеурочной деятельности, а также в процессе реализации занятий факультативов как промежуточного звена в образовательном процессе [2].

Понятие об учебно-исследовательской деятельности

Под учебно-исследовательской деятельностью школьника понимают разновидность учебной деятельности, направленной на удовлетворение познавательной потребности учащихся, связанной с освоением методов познания и выяснением той или иной закономерности развития научных представлений об окружающем мире. Её главным результатом является интеллектуальный продукт, устанавливающий ту или иную истину в результате процедуры исследования и представленный в стандартном виде [3]. Учебноисследовательская деятельность школьников является фактором преемственности основного и дополнительного образования. Её реализация способствует самоактуализации, самореализации и творческому развитию учащихся, а также построению индивидуальной траектории, формированию у обучающихся УУД [4].

Во многих научных публикациях раскрываются основные этапы и приводятся примеры организации учебно-исследовательской деятельности по химии, выполняемой на уроке [5-7], где основной акцент делается на выполнении химического эксперимента. При этом многие исследователи отмечают, что более широкие возмож- ности для углубления знаний и применения умений для решения конкретных задач теоретического и практического характера [8, 9], в том числе, в форме учебноисследовательской деятельности, предоставляют занятия факультатива.

Учебно-исследовательская деятельность на занятиях факультатива

Исходным моментом в выполнении учебно-исследовательской деятельности является изучение уже известного, представленного в различных источниках информации, и выявление существующих противоречий. На основе литературного обзора формулируются цель и задачи учебного исследования, способы поиска возможных решений, осуществляется планирование эксперимента как важного естественнонаучного метода.

Индивидуальные собеседования, проведённые с учащимися, которые проявляют повышенный интерес к изучению химии и посещают дополнительные занятия на базе кафедры химии КГУ им. К.Э. Циолковского (г. Калуга), а также студентами бакалавриата-химиками 1 курса, показывает, что учебно-исследовательская деятельность по химии ассоциируется у них в основном с выполнением химических опытов различного содержания. При этом обращение к различным источникам информации, составляющее значительную часть исследования, в большинстве случаев не вызывает у них интереса. Поэтому результат такой работы, по сути, больше напоминает сбор информации в форме доклада, а не её обобщение, оценивание и интерпретацию (реферирование). Одним из решений проблемы стимулирования работы учащихся с литературными данными, является грамотная организация учебноисследовательской деятельности.

В связи с этим рассмотрим некоторые особенности учебно-исследовательской работы, выполняемой на занятии факультатива по химии, которая представляет собой выполнение аналитического обзора в процессе исследования учебной проблемы.

Особенности организации учебноисследовательской деятельности

Среди особенностей учебно-исследовательской деятельности, направленной на осуществление поисковой работы учащихся с информацией и одновременно повышающей познавательные интересы обучающихся к расширению представлений о применении на практике теоретических основ химии, в первую очередь, можно выделить следующие [7-9]:

• 1)    направленность на решение конкретной задачи, а не на воспроизведение известных данных;

• 2)    неопределённость, противоречивость или неполное описание вопроса в различных источниках;

• 3)    возможность использования различных баз данных и обучение школьников приёмам работы с текстами различного характера;

• 4)    применение на практике теоретических основ химической науки и комплекса предметных умений;

• 5)    межпредметный характер изучаемых вопросов.

В качестве возможного примера рассмотрим учёт данных особенностей при реализации учебно-исследовательской деятельности по теме «История открытия сахарозы». Содержание работы имеет межпредметный характер: предполагает установление связей с историей, географией, биологией, иностранным языком. Также она предполагает систематизацию информации из различных баз данных, как отечественных, так и зарубежных. Через выполнение исследования постепенно раскрывается ряд вопросов становления современных теоретических основ химической науки, в первую очередь, формирование современной теории строения органических соединений.

Цель учебного исследования: определить примерный год установления молекулярной формулы сахарозы. Для её достижения формулируем следующие задачи:

• 1)    изучить историю распространения пищевого продукта - сахара - в европейских странах;

• 2)    выявить описание в литературных источниках методов исследования химического состава и структуры сахарозы;

• 3)    определить исторический период времени повышенного интереса к исследованию углеводов;

• 4)    уточнить год открытия структурной формулы сахарозы.

На первый взгляд, предложенная тема исследования является широко известным вопросом и не заслуживает столь пристального внимания. Однако выполнение столь «простой работы» потребует от учащегося обращения к обширной истории исследования сначала сахара как пищевого продукта, а в дальнейшем – как чистого химического вещества. При этом возникает закономерный вопрос: в каком веке на протяжении обширной истории применения человеком был установлен точный химический состав и молекулярная формула сахарозы? Если в XV в. сахарозу определяли только по вкусу, а XX в. современными физико-химическими методами уже были выявлены и исследованы её различные изомеры.

В XVI в. сахар был дорогим элитным продуктом, доставляемым в европейские страны из Карибского бассейна, где на его трудоёмком производстве из сахарного тростника гибли сотни тысяч рабов, завезённых туда из стран Африки [10]. Уже тогда учёные из Европы проявляли интерес к его возможному изготовлению из собственного сырья. Именно в это время французский учёный Андреас Маргграф (1709-1782) впервые в аналитической химии применяет метод кристаллоскопии для идентификации вещества. Сравнив кристаллы сахара, полученного из сахарной свёклы и сахарного тростника, он установил, что они похожи [11].

В научных работах учёных XVII в. сахара называли «сладкой солью». В связи с неизвестным химическим составом к сахарам относили все, что имело сладкий вкус, включая такие вещества, как глицерин [10].

В XVII в. в работе «Театр сельского хозяйства и уборки полей» французский учёный Оливье де Серр (1539-1619) указывает на возможность извлечения сахара из сахарной свёклы. Также интересен тот факт, что он различает сахара, выделенные из разных растительных объектов, называя их «сортами», и отмечаем, что их распознавание является сложной задачей [12].

Здесь отметим, что учащийся может обратиться к первоисточнику [12] – трудам Оливье де Серра, представленному на французском языке. При незнании данного языка можно просто легко осуществить поиск нужной информации в трудах учёного по ключевым словам, переведённым онлайн. Затем при помощи функции перевода текста с картинок на русский язык информация становится доступной.

В дальнейшем усиление интереса к исследованию сахаров было связано с периодом наполеоновских войн (1803-1815). Из-за неспособности покорить Англию Наполеон Бонапарт ввёл против неё «санкции»: ограничил торговлю. В результате Франция и другие европейские страны оказались лишены сахара, который транспортировался из Карибского бассейна исключительно через Англию. В связи с дефицитом продукта в Европе император оказывал финансовую поддержку по организации производства сахара в стране. Поэтому после снятия экономической блокады Франция обеспечивала до 30% потребностей европейских стран сахаром [13].

В работе «Опыт о виноградном сахаре» (1806) Жозеф Луи Пруст (1754-1826) уже различает несколько сахаров – сахарозу, фруктозу и глюкозу (виноградный сахар). При этом химический состав данных веществ ещё не был известен [14]. Здесь также можно использовать для стимулирования познавательных интересов учащегося поработать с первоисточником – трудами учёного Жозефа Луи Пруста [14]. Качество скана достаточно высокое для онлайн перевода теста с фото на русский язык.

Существенный шаг в отношении установления молекулярной формулы сахарозы, как и других сахаров, был сделан учёными в начале XIX в. Так, попытки определить элементный состав и соотношение атомов в молекуле делали различные исследователи (Жозеф Луи Гей-Люссак, Жан Батист Андре Дюма, Пьер Жозефа Пеллетье, Вильям Прут, Юстус Фрайхерр фон Либих). Однако они исходили из предположения, что сахара – это гидраты углеро- да с общей формулой Сn(H2O)m. Поэтому они предлагали разные молекулярные формулы для сахарозы, но среди них – истинной формулы сахарозы не было. Хотя Луи Жак Тенар смог обобщить эти данные. Он также вывел свой вариант молекулярной формулы сахарозы – С12(H2O)5 или С12H10O5 (сегодня мы знаем, что молекулярная формула сахарозы – С12H22O11) [14].

Интересным с точки зрения методики обучения химии является таблица, представленная в первоисточнике – работе Луи Жака Тенара «Трактат по элементарной, теоретической и практической химии» (см. табл. 1) [15]. Представленные в первоисточнике данные можно использовать, чтобы предложить учащимся самостоятельно вывести молекулярную формулу сахарозы (решение задачи на вывод формулы вещества), пройдя по стопам учёных XIX века.

Таблица 1. Массовые доли химических элементов в сахаре (сахарозе)

Gay-Lussac el Then. Berzelius. Dumas et Pelletier. Prout.	Liebig.
Carbone.... 42.47   41,98        42,13        42,86	42,301
Hydrone.. 6,90     7,05         6,37         6.35	6,454
Oxigene....   50,6 3   51,31        51,50        50,80	51,501

К середине XIX в. учёные смогли установить химический состав и молекулярные формулы многих простых сахаров, включая глюкозу (1838 г.) и фруктозу (1848 г.). При этом для сложных сахаров отнесение их к углеводам всё ещё осуществлялось преимущественно по наличию сладкого вкуса [16] .

В трудах Карла Генриховича Шмидта «Пищеварительные соки и обмен веществ. Физиолого-химическое исследование» (1852 г.) приводится ещё один вариант молекулярной формулы сахарозы – тростникового сахара (der Rohrzucker) – C 12 H 11 O 11 [17]. Данная работа также доступна как первоисточник для обращения к нему учащихся.

Современное название сахару было дано французским химиком Марселлином Бертело (1860 г.). Оно происходит от устаревшего названия сахаров на французском языке (от франц. «sucre» – «сладкий») с добавлением суффикса «-ose» [18].

К 1889 г. относится введение понятия о дисахаридах как веществах, способных при гидролизе образовать 2 молекулы моносахаров [19]. А в конце XIX века немецкий химик Эмиль Фишер уже провёл первое масштабное исследование углеводов, а также химический синтез большинства известных моно- и дисахаридов [20].

В результате выполненного литературного обзора возникает вопрос: когда же была установлена молекулярная формула сахарозы? Исходя из представленных данных, становится понятно, что успешное решение данной проблемы относится к периоду создания теории строения органических веществ А.М. Бутлеровым (18281886). Известно, Александр Михайлович также определил истинную молекулярную формулу глюкозы (1858 г.). Однако в его научных трудах не идёт речь о сахарозе [16]. Изучаем вопрос дальше.

На основе теории строения органических веществ русский химик-органик Колли Александр Андреевич (1840-1916) начал уточнение молекулярных и структурных формул сахаров (1870 г.), а также впервые успешно осуществил химический синтез дисахаридов (1879 г.).

Кроме, А.А. Колли, вопросом изучения сахаров также основательно занимался немецкий учёный Бёрнхард Толлленс (1841-1918). Однако его соответствующие публикации относительно химического состава и строения углеводов появились спустя 13 лет после отечественного учёного (1888 г.) [21]. Поэтому, вероятнее всего, что А.А. Колли окончательно уточнил молекулярную формулу сахарозы [21].

Таким образом, описанное в статье учебное исследование по изучению исто- рии открытия сахарозы является примером содержательной и процедурной основы для организации познавательной деятельности учащихся, направленной не только на формирование теоретических основ химической науки, но и формирование приёмов работы с различными источниками информации, в основе которых – познавательные УУД. При этом выполнение литературного обзора при решении учебной проблемы стимулируется опорой на межпредметные связи, применением первоисточников, представленных в различных базах данных, которые можно найти в интернете, а также отсутствием однозначных ответов на некоторые из задач исследования. В результате обычная рутинная работа по выполнению реферирования приобретает форму учебной проблемы и комплексного подхода при её исследовании.

Выводы

• 1.    Занятия факультатива предоставляют широкие возможности для формирования у учащихся познавательных УУД: формулирование цели, подбор и систематизация информации, подведение итогов, критическая оценка полученных результатов.

• 2.    Определённые особенности учебного исследования позволяют стимулировать выполнение не только работ экспериментального характера, но и позволяет приёмы выполнения аналитического обзора по учебной проблеме.

• 3.    Выбор темы учебного исследования по химии теоретического характера должен предполагать возможность сформулировать учебную проблему, требующую

предполагает применение учащимися применения учащимися системы предметных знаний при его выполнении.