CC BY
15
ХИМИЯ
УДК 378 DOI: 10.24412/2071-6176-2021-4-3-8
ИНТЕГРАТИВНЫЙ ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ
Т.Н. Валуева, М.Б. Никишина, И.В. Шахкельдян, И.М. Ахромушкина, Т.М. Корнева
Представлен интегративный подход к изучению химических реакций в вузе -основные законы и понятия рассматриваются с позиций различных химических дисциплин (общая, неорганическая, аналитическая, физическая, органическая, биологическая химия) и получают преемственное развитие. Необходимость интегративного подхода обусловлена интегративным характером компетенций, целостной компетентностной моделью выпускника высшей школы.
Ключевые слова: химические реакции, методика обучения химическим дисциплинам в вузе, межпредметные связи химических дисциплин.
В дидактике высшего образования в условиях компетентностной парадигмы реализация интегративного подхода, установление внутри- и межпредметных связей является необходимым условием осуществления образовательного процесса, что обусловлено интегративным характером компетенций, целостной компетентностной моделью выпускника высшей школы.
В статье представлен опыт применения интегративного подхода к изучению химических реакций у бакалавров направления подготовки «Химия» и «Педагогическое образование» (профили Биология, Химия). На основе интеграции происходит формирование целостного научного мировоззрения, приобретение опыта проведения исследований для решения реальных задач, связанных с профессиональной деятельностью. Это актуально при подготовке не только специалистов-химиков, работающих в производственной сфере, но и учителей химии, владеющих необходимым набором компетенций для реализации требований ФГОС к образовательным результатам, в том числе метапредметным.
Сущность предлагаемого нами подхода заключается в усилении реализации межпредметных связей химических дисциплин, преемственном развитии основных дидактических единиц учебного материала с учётом особенностей учебного предмета, использовании заданий, направленных на комплексное применение знаний и умений.
Система знаний о химической реакции - одна из ведущих систем в содержании химических дисциплин. В ее состав входят теории, законы и закономерности, понятия, факты в их взаимосвязи и взаимообусловленности. Проходя в своем развитии через последовательно
сменяющиеся теории, обогащаясь новыми знаниями и умениями, она приобретает структуру и функции теоретических систем знаний. Этим системам присущи функции не только описания, объяснения, но и прогнозирования. Такой уровень развития достигается на определенных этапах обучения в результате внутри- и межпредметной интеграции, систематического применения знаний для решения учебных проблем.
Общее понятие «химическая реакция» интегрирует понятия разной степени общности и абстрактности, объединяемые в блоки: сущность химических реакций, условия их протекания, химическая термодинамика и кинетика, химическое равновесие, классификации реакций, методы исследования химических процессов, применение и биологическая роль химических реакций (рисунок).
Система знаний о химических реакциях
При изучении курса «Общая и неорганическая химия», а в последующем курса «Физическая химия» акцент делается на рассмотрении сущности химических реакций, условий их возникновения и течения.
Химическая реакция - превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в другие вещества, при котором ядра атомов не меняются, при этом происходит
перераспределение электронов и образуются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов, так как ядра остаются прежними, а все изменения происходят в электронной оболочке.
Электронная теория химических связей позволяет более глубоко проникнуть в сущность изучаемых реакций как процесса разрушения химических связей в исходных веществах и в образования новых связей в продуктах реакции. Подчёркивается, что реакции протекают в сторону образования энергетически более выгодных связей.
Электронная теория строения атома и вещества, теория электролитической диссоциации, закономерности протекания химических реакций лежат в основе прогнозирования свойств соединений, образованных химическими элементами Периодической системы Д.И. Менделеева.
Интегрируя знания этих теорий, необходимо выделить взаимосвязь между образованием новых веществ и энергетическим эффектом реакции, так как энергетические изменения, по мнению Д.И. Менделеева, представляют собой внутреннее содержание химической реакции. Важно сформировать убеждение, что процесс образования новых веществ связан с энергетическими изменениями.
Для определения возможностей самопроизвольного протекания реакций используются представления химической термодинамики. Наряду с энтальпийным фактором, характеризующим тенденцию реагирующей системы к образованию химических связей, то есть к возрастанию упорядоченности, не менее важен энтропийный фактор, отражающий стремление частиц системы к беспорядочному распределению в пространстве. Взаимодействие этих противоположных факторов и определяет свободную энергию системы. Общая закономерность для всех реакций состоит в том, что реакция самопроизвольно протекает в сторону уменьшения свободной энергии системы.
Важными компонентами в блоке термодинамических знаний выступают фундаментальные законы - 1-е и 2-е начала термодинамики, основной закон термохимии - закон Гесса.
Принципиальное значение в формировании системы понятий о химической реакции имеют знания кинетики (скорость химических реакций, факторы, влияющие на нее, энергия активации, катализ и катализаторы).
Ещё одно из важных в системе понятий о химической реакции -понятие «химическое равновесие». В термодинамике равновесное
состояние объясняется уравновешиванием вкладов энтальпийного и энтропийного факторов. С кинетических позиций оно рассматривается как состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны.
Для систематизации представлений о многообразии химических реакций проводится их классификация на основе различных признаков. Эти знания постепенно дополняются и расширяются. Например, в курсе органической химии обучающиеся более подробно изучают механизмы превращений органических соединений и деление реакций на радикальные, ионные (нуклеофильные, электрофильные).
Усилению количественной трактовки химических процессов на основе изученных закономерностей способствует использование математических операций с физическими величинами. Это составляет основу решения задач по химии, выступающих средством развития у обучающихся мыслительных операций, умений применять их в конкретных ситуациях.
Содержание системы знаний о химических реакциях подчеркивает объективность, многообразие и противоречивую природу химических явлений, познаваемость закономерностей их протекания, возможность управления ими и разнообразного применения; без понимания сущности химических реакций невозможно раскрыть химическую основу процессов жизнедеятельности.
Дисциплина «Биологическая химия» изучает молекулярные основы жизни: химическую природу веществ в составе живых организмов, их превращения и связь этих превращений с жизнедеятельностью.
В чём заключается сущность жизни, в какой мере представления о химических реакциях могут быть использованы для объяснения процессов в живых системах - эти проблемы продолжают находиться в центре внимания биохимии. Химические реакции рассматриваются в контексте обмена веществ и энергии, формируются и сопоставляются понятия: «обмен веществ», «метаболизм», «метаболические пути».
Поскольку метаболизм представляет совокупность физико-химических явлений, законы и принципы термодинамики, описывающие данные процессы, являются основополагающими и для живых систем с учётом их специфики - это открытые системы, постоянные взаимодействующие со средой и находящиеся в стационарном состоянии.
Одним из наиболее распространенных типов реакций, протекающих в процессе жизнедеятельности, являются окислительно-восстановительные реакции. Энергетические потребности человека покрываются практически полностью за счет энергии ферментативного окисления. Образующиеся в организме окислители и восстановители участвуют в защитных механизмах, процессах внутриклеточной и внеклеточной сигнализации, регуляции метаболизма, детоксикации ксенобиотиков.
В ряду вновь вводимых в биохимии понятий «биологическое окисление», «свободное окисление», «окислительное фосфорилирование» и т.д., рассматриваются важнейшие окислительно-восстановительные процессы: окислительное декарбоксилирование в цитратном цикле, перенос электронов в электронно-транспортной цепи и т.д. Особое внимание уделяется расчёту энергетических эффектов - количества синтезированного АТФ для энергетически важных процессов: гликолиз, цитратный цикл, окисление жирных кислот. При рассмотрении ОВР применяются ранее сформированные расчётные умения: определять редокс-потенциалы с учётом конкретных условий (концентрации реагентов, рН и т.д.), рассчитывать изменение энергии Гиббса, константы равновесия для биохимических процессов. Эти примеры подтверждают необходимость межпредметной интеграции для более глубокого понимания сложных объектов и явлений.
При переходе от одной дисциплины к другой пополняются представления обучающихся о методах исследования химических реакций, которые по своей природе также интегративны: применяются не только химические, но и физико-химические, биохимические методы.
Подробное рассмотрение химических реакций с позиций межпредметного, интегративного подхода приводится в пособиях [1-3].
Таким образом, готовность обучающихся к комплексному использованию знаний и умений, освоенных при изучении химических дисциплин, составляет основу профессиональных компетенций студентов.
Статья подготовлена в рамках государственного задания № 07300073-21-01 от 14.07.2021 на оказание государственных услуг (выполнение работ) Министерства просвещения России по теме научного исследования «Научно-методологическое сопровождение формирования
метапредметных результатов обучения в условиях реализации ФГОС».
Список литературы
1. Валуева Т.Н., Никишина М.Б., Ахромушкина И.М. Интегративный подход к изучению химических реакций: Учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] Электрон. дан. Тула: ТППО, 2021.
2. Валуева Т.Н., Никишина М.Б., Ахромушкина И.М. Интегративный подход к изучению стехиометрии и термодинамики химических реакций: Учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] / Т.Н. Валуева, М.Б. Никишина, И.М. Ахромушкина. Электрон. дан. Тула: ТППО, 2021.
3. Химическое равновесие с позиций интеграции химических дисциплин: Учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] / Т.Н. Валуева,
М.Б. Никишина, И.М. Ахромушкина, Ю.М. Атрощенко. Электрон. дан. Тула: ТППО, 2021.
Валуева Татьяна Николаевна, канд. хим. наук, доц., tnval56ayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Никишина Мария Борисовна, канд. хим. наук, доц., nikishinamhatspHt.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Шахкельдян Ирина Владимировна, д-р хим. наук, проф., reaktivatspu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Ахромушкина Ирина Михайловна, канд. хим. наук, доц., Maria-27Aayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Корнева Татьяна Михайловна, студент, kornewa. tanayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
INTEGRATIVE APPROACH TO THE FORMATION OF KNOWLEDGE SYSTEMS ABOUT CHEMICAL REACTIONS
T.N. Valueva, M.B. Nikishina, I.V. Shakhkel'dyan, I.M. Akhromushkina, T.M. Korneva
An integrative approach to the study of chemical reactions in higher education is presented - the basic laws and concepts are consideredfrom the standpoint of various chemical disciplines (general, inorganic, analytical, physical, organic, biological chemistry) and receive continuous development. The need for an integrative approach is due to the integrative nature of competencies, the holistic competence model of a graduate of a higher school. Keywords: chemical reactions, methods of teaching chemical disciplines at the university, interdisciplinary connections of chemical disciplines.
Key words: chemical reactions, methods of teaching chemical disciplines at a university, interdisciplinary connections of chemical disciplines.
Valueva Tatiana Nikolaevna, candidate of chemical sciences, docent, tnval56ayandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Nikishina Maria Borisovna, candidate of chemical sciences, docent, nikishinamh a tspiiL ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Shakhkel'dyan Irina Vladimirovna, doctor of chemical sciences, professor, reaktiv@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Akhromushkina Irina Mikhailovna, candidate of chemical sciences, docent, Maria-2 7A a yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Korneva Tatiana Mikhailovna, student, kornewa. tanayandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
