Актуальные проблемы химического и биологического образования

Методические аспекты преподавания естественнонаучных дисциплин в общеобразовательной школе ²

Н.А. Заграничная, Л.А. Паршутина

Институт стратегии развития образования Российской академии образования, Москва, Россия

В свете современных тенденций развития образования изучение естественнонаучных учебных предметов должно обеспечивать формирование естественнонаучной грамотности выпускников школы, знакомить со спецификой научного мышления и научным методом познания, закладывать основы рационального взаимодействия с окружающей природой. Эти цели отражены в государственных образовательных стандартах второго поколения, отличительной особенностью которых является усиление внимания к освоению учащимися научного метода познания. Выпускник средней школы должен соответствовать требованиям и критериям ФГОС СОО: «…активно и целенаправленно познавать окружающий мир, владеть приемами научного метода познания; быть способным осуществлять учебно-исследовательскую и проектную деятельность» [3, с. 4–5]. В условиях изменения целей и результатов образования для выполнения всех требований государственных стандартов требуется обновление подходов к преподаванию естественнонаучных предметов. Как один из возможных и эффективных методических подходов к приведению школьного образования в соответствии с новыми требованиями мы рассматриваем изучение естественнонаучных дисциплин с опорой на научный метод познания. Организация познавательной деятельности на основе научного метода познания обеспечивает школьникам возможность овладения умениями определять проблему, формулировать гипотезу для нахождения решения, планировать свои действия, проводить эксперименты, оценивать полученные результаты, представлять научные аргументы для обоснования своих выводов и, таким образом, ориентирует учащегося на творческий, исследовательский характер деятельности.

В этом контексте важнейшей задачей становится обучение школьников научному познанию (решению познавательных проблем). Выпускники должны не только усвоить знания о материальном мире, но и научиться наблюдать, описывать, объяснять и прогнозировать, исследовать вещества и явления, применять эти умения и научные знания в различных ситуациях, т.е. использовать приемы научного познания. Возможность решения этой задачи зависит от степени использования в обучении химии и биологии таких компонентов научного метода, как: организация учебно-познавательной деятельности на эмпирическом и теоретическом уровнях; усвоение всех форм (научных фактов, понятий, законов, теорий), традиционно входящих в содержание школьного естественнонаучного образования; применение приемов (методов), включающих освоение метапредметных и предметных умений. Системное использование научного метода в обучении создает условия для формирования познавательных УУД – исследовательских и логических умений, соответствующих приемам научного познания. Становятся более востребованными в обучении и другие виды УУД – регулятивные и коммуникативные, без которых полноценное осуществление познавательной деятельности учащимися невозможно.

Включение в учебный процесс компонентов научного метода способствует полноценной реализации требований ФГОС к результатам обучения. Таким образом, научный метод познания рассматривается авторами как методологическая основа формирования УУД при изучении химии и биологии, как источник формирования научных понятий, как одно из условий достижения предметных результатов. Но возникают методические проблемы при выборе технологии включения приемов научного познания в процесс изучения школьных естественнонаучных дисциплин.

Эффективное освоение умений происходит в условиях, когда у школьников сформированы представления о последовательности выполнения всех операций. Когда учитель систематически приучает учащихся проводить познавательную деятельность, придерживаясь определенного алгоритма, он тем самым формирует в сознании школьников ориентировочную основу действий. Со времени появления классической науки научное познание включает определенные этапы, составляющие цикл:

1) анализ явлений, фактов;

2) определение проблемы;

3) выдвижение гипотезы;

4) обоснование гипотезы, выведение следствий;

5) экспериментальная проверка гипотезы и следствий.

Эксперимент приводит к появлению новых фактов, требующих изучения. Каждый из этапов является обязательным и включает конкретные приемы научного метода. Использование цикла научного познания на уроках в качестве ориентировочной основы познавательной и исследовательской деятельности, а также при проведении учебных проектно-исследовательских внеурочных работ предоставляет учителю возможность для организации эффективной учебно-познавательной деятельности.

Для решения этой важной задачи авторским коллективом ЦЕНО ИСМО РАО было предложено значительную часть описательного текста учебников переработать в систему познавательных заданий – исследований, которые учащиеся могут самостоятельно выполнять на уроках [1]. Это могут быть любые уроки или их этапы, где возможно создание проблемной ситуации, где могут быть выявлены противоречия. Эти мини-исследования выполняются по схеме цикла научного познания, т.е. реализуется схема субъективного «переоткрытия» школьниками того, что было открыто в ходе исторического развития науки.

При разработке содержания и методики использования системы учебных заданий-исследований [2] важно учесть, что в обучении, как и в науке, сначала происходит накопление фактов, на основе их обобщения выделяется познавательная проблема, предлагается гипотеза для решения проблемы, она обосновывается, выводятся следствия, которые проверяются экспериментально. Адекватное восприятие впервые изучаемого явления не может быть полноценно заменено восприятием наглядных «заменителей» изучаемого явления, таких как: рисунки, фотографии, компьютерные анимации и т.п. Для предотвращения формального усвоения знаний на уроке необходимо обеспечивать ученикам возможность не только увидеть изучаемые явления, но и осознать учебную проблему и сделать предположение о ее решении.

Освоение научного метода на уроках химии или биологии проходит наиболее эффективно в условиях проблемного обучения. Цель проблемного обучения – развитие исследовательских умений, исследовательской культуры ученика. В педагогической практике на уроках используются различные методы проблемного обучения, в которые могут быть эффективно включены все этапы и приемы научного познания. Рассмотрим примеры использования заданий-исследований в конкретных учебных ситуациях.

Исследовательские задания для урока химии: «Свойства фосфора и его соединений»

Выдвижение, обоснование и проверка гипотез проходит при выполнении исследовательских заданий в группах (по 4–6 учеников) с использованием инструкционных карт. В ходе работы могут быть использованы различные источники информации. Ниже приведены примеры инструкционных карт.

Инструкционная карта №_ (базовый уровень)

Азот и фосфор находятся в одной группе и подгруппе. Они – ближайшие соседи по ПС.

Проблема. Почему они не похожи?

1. Познакомьтесь с фактами.

1.1. Рассмотрите образцы выданных веществ. (Колба, заполненная воздухом – 78% азота; порция красного фосфора, спичечный коробок.)

Сравните их физические свойства и запишите результаты наблюдений в таблицу:

1.2. Сравните условия реакции горения азота и фосфора, используя информацию из учебника.

2. Выскажите свои предположения (гипотезу) для объяснения этих фактов.

3. Обоснуйте предположение на основе знаний о строении атомов азота и фосфора:

4. Какой химический элемент – N или Р – более активный неметалл?

5. Какое простое вещество – азот N₂ или фосфор Р₄ – способно проявлять большую химическую активность? Дайте объяснение на основе сравнения строения молекул N₂ и Р₄ (используйте учебник).

6. Приведите примеры химических веществ, при взаимодействии с которыми фосфор будет проявлять окислительные свойства, восстановительные свойства.

7. Экспериментально проверьте химический характер фосфора. Проведите опыт сжигания порции красного фосфора в колбе, наполненной кислородом (колбу с кислородом вам выдаст учитель).

8. Сделайте общий вывод.

Инструкционная карта №_ (повышенный уровень)

Факты

1. Фосфор образует водородное соединение – газ фосфин РН₃. Он легко окисляется кислородом. Этот газ образуется в природе при разложении и гниении умерших организмов. Практически всегда он содержит примесь дифосфана – Р₂Н₄, который самовоспламеняется на воздухе. Поэтому на кладбищах при создании благоприятных условий бывает можно наблюдать свечение. Это явление породило легенды о блуждающих призраках.

2. Существует множество сказок и фантастических произведений, где присутствуют драконы. В научно-популярном журнале «Химия и жизнь» было дано шуточное объяснение изрыгания пламени из пасти дракона, в которой упоминался фосфин.

Проблема. Возможно ли с химической точки зрения появление пламени в пасти дракона?

1. Сделайте свое предположение (гипотезу), откуда может взяться пламя в пасти дракона.

2. Обоснуйте это предположение приведенными научными фактами.

3. Запишите уравнения возможных реакций, объясните механизм процессов при помощи уравнений электронного баланса.

4. Предложите другой возможный вариант объяснения этого фантастического явления.

Информация для учителя ³. Фосфин с примесью дифосфана может образоваться в пищеварительном тракте дракона при разложении останков съеденных организмов. При отрыгивании дифосфан самовоспламеняется на воздухе, и фосфин загорается.

РН₃ + 2О₂ = Н₃РО₄

2Р₂Н₄ + 7О₂ = 2Р₂О₅ + 4Н₂О

Учащиеся каждой группы сообщают всему классу результаты своей работы и формулируют общие выводы о химических свойствах фосфора и его соединений.

Исследовательские задания для урока биологии: «Скелет человека»

Проблема. Отличаются ли отделы скелета человека по своему строению от скелета приматов (человекообразных обезьян) и других млекопитающих?

Формирование гипотезы. Гипотеза формируется учениками под руководством учителя. Например: у нас скелет не такой, как у других животных. Он уникальный, единственный в своем роде, и зависит от условий жизни.

Подтверждение гипотезы. Класс делится на четыре группы, которые работают с моделями, таблицами и другими источниками информации (необходимо доказать, что каждый отдел скелета человека имеет свои особенности по сравнению с другими животными (млекопитающими)). Учащиеся изучают строение человека: скелет головы, скелет туловища, скелет поясов верхних и нижних конечностей, скелет верхних и нижних конечностей. Ниже приведены примеры заданий.

Задание для 1-й группы. Строение скелета поясов нижних и верхних конечностей

Цель работы: изучить строение (отделы, названия костей) скелета поясов нижних и верхних конечностей человека.

Ход работы

1. Определить, из каких отделов состоит скелет поясов верхних и нижних конечностей.

2. Изучить названия костей.

3. Найти отличительные особенности по сравнению с животными.

4. Определить причину появления особенностей (трудовая деятельность, речь, прямохождение).

5. На основании полученных данных заполнить таблицу и сделать выводы.

Задание для 2-й группы. Строение скелета верхних и нижних конечностей человека

Цель работы: изучить строение (отделы, названия костей) скелета нижних и верхних конечностей.

Ход работы

1. Определить, из каких отделов состоит скелет верхних и нижних конечностей.

2. Изучить названия костей.

3. Найти отличительные особенности по сравнению с животными.

4. Определить причину появления особенностей (трудовая деятельность, речь, прямохождение).

5. На основании полученных данных заполнить таблицу и сделать выводы.

Учащиеся каждой группы сообщают всему классу результаты своей работы и формулируют общие выводы о подтверждении гипотезы.

Список литературы

1. Заграничная Н.А., Паршутина Л.А. Обучение химии и биологии в свете современных требований // Актуальные проблемы химического и биологического образования: сб. материалов IX Всерос. науч.-методич. конф. с международным участием, Москва, 20–21 апреля 2018 г. / под ред. П.А. Оржековского. М.: МПГУ, 2018. С. 127–132.

2. Заграничная Н.А., Паршутина Л.А., Пентин А.Ю. Методические подходы к разработке заданий, ориентированных на применение приемов научного метода познания в реальных жизненных ситуациях // Школьные технологии. 2018. № 5. С. 110–120.

3. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего общего образования / утв. приказом Министерства образования и науки РФ от 17.05.2012 № 413. URL: https://fgos.ru/ (дата обращения: 04.02.2019).

Формирование навыков самостоятельной работы студентов геологического факультета в ходе преподавания дисциплины «Химия»

Т.В. Захарова, Л.Ф. Кожина, М.В. Пожаров

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия

Современное общество предъявляет новые требования к качеству подготовки выпускников вузов и диктует необходимость изменения целей и задач образовательных технологий, используемых при обучении. Актуальной остается проблема развития социально-профессиональных навыков студентов, которые должны обладать высокой компетентностью в выбранной ими области. Компетенции, формируемые в процессе получения студентом высшего образования, напрямую определяют результат его обучения. Современное образование уходит от знаниевой парадигмы, предпочитая ей практико-ориентированную парадигму. В русле компетентностного подхода это обозначает отход от транслирования знания как единственного показателя качества образования. Основой обучения в вузе становится демонстрация моделей профессионального действия в различных жизненных ситуациях. Смещение акцентов с получения теоретических знаний на практическое применение изученного научного материала дает возможность максимально полно подготовить выпускника вуза к реалиям будущей профессиональной деятельности. При таком рассмотрении компетентностный подход выступает фактором и гарантом достижения важнейших образовательных целей: личностных изменений обучающегося, формирования у него предметной картины мира, основ нравственного воспитания и ответственного отношения к профессии.

При обучении студентов-первокурсников преподаватель все чаще сталкивается с ситуацией, когда студент не может применить ранее изученный теоретический материал для решения творческих задач. Такая ситуация обусловлена непониманием содержания изучаемого материала. В вузе в основном используется традиционный подход к процессу обучения – механическое запоминание и повторение действий, текстов, алгоритмов. Однако, «ориентируя студентов на заучивание знаков или их систем без понимания смысла (контекста), который в них заключается, невозможно сформировать профессионально направленное мышление и превратить учебную информацию в знания, умения, навыки. Для того чтобы информация стала знанием, студенту нужно совершить в своем сознании двойной переход – от знака (информации) к мысли, а от нее – к действию и поступку» [1]. Первокурсники должны в короткое время – в течение первого семестра – адаптироваться к изменившимся по сравнению со школой условиям обучения, в том числе научиться концентрироваться и вычленять главное из большого потока учебной информации. Это требует от них владения вниманием и памятью. Студенты на лекции затрачивают значительное время на фиксирование информации, им трудно сосредоточиться на деятельности, требующей от них умственного напряжения. Отключение внимания спасает их от переутомления. Преподавателю приходиться тратить время на многократное повторение материала, что приводит к уменьшению объема необходимой информации, включаемой в изучаемую тему. Именно этим и вызвана необходимость использования различных методов и приемов в процессе обучения на каждом занятии. Смена деятельности обучающихся способствует воспроизведению и запоминанию нового материала, развивает творческие и интеллектуальные способности каждого студента.

На начальном этапе обучения у студентов преобладает познавательная мотивация, которая на заключительном этапе должна трансформироваться в профессиональную. При этом происходит изменение цели обучения – если в учебной деятельности она заключалась в усвоении информации, то в профессиональной деятельности – в образованности студента, в овладении ими основами профессиональной деятельности [4].

Поток информационного материала, с которым контактирует обучающийся, непрерывно увеличивается. Чтобы разобраться в информации и успешно справиться с учебной нагрузкой, студенту необходимо развивать память. Человек получает информацию с помощью органов чувств и при этом получает от каждого органа чувств ограниченный объем информации. Наибольшее количество информации человек, как известно, получает визуально, с помощью органов зрения. Всем знакомы слова «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» или «Увидеть лучше, чем услышать, познать лучше, чем увидеть, сделать лучше, чем познать». Забывание информации происходит наиболее интенсивно в первые дни после ее получения. Повторное проговаривание материала способствует его осмыслению. По времени сохранения информации выделяют кратковременную и долговременную память. Осмысленная информация откладывается в долговременную память, которая формирует эрудицию и общий уровень интеллекта человека. Чем больше информации усваивается студентом, тем в большей степени развиты его память, мышление и интеллект. Осознанность усвоения знаний проявляется в умениях решения задач, в умениях устанавливать связи между элементами знаний, различать существенные и несущественные связи. Для такого вида деятельности студенты должны проводить осмысление и переосмысление, т.е. развивать рефлексивные способности. Однако в настоящее время студенты не проявляют стремления к развитию долговременной памяти, требующему больших энергетических затрат, и в значительной степени используют гаджеты как источник информации, при этом не владея навыками анализа и систематизации.

На занятиях по дисциплине «Общая и неорганическая химия» для студентов любых направлений обучения нами используется дидактический прием – составление блока таблично-справочных данных, помогающих усвоению изучаемого материала. Таблично-справочные данные включают наиболее часто применяемые расчетные формулы при решении задач. Наряду с наличием обязательных материалов – таблицы Д.И. Менделеева, таблицы растворимости в воде солей, кислот и оснований, ряда напряжений металлов – составленный студентами комплект таблично-справочных данных помогает им при выполнении самостоятельных и контрольных работ, при сдаче зачетов и экзаменов. Постоянная работа с привлечением количественных характеристик изучаемых явлений способствует развитию логического мышления, помогает более осознанному восприятию и представляет собой стадию рефлексии на каждом этапе процесса обучения.

В настоящее время, когда происходит тотальное сокращение количества часов (включая проверку контрольных и самостоятельных работ) и делается акцент на самостоятельной работе студентов, актуальным становится вопрос об изменении методики преподавания дисциплины. Уменьшение количества часов и снижение из года в год уровня знаний и мотивации абитуриентов ставят перед преподавателями вузов вопрос о разработке конкретных учебно-методических электронных материалов для студентов геологического, географического и других нехимических факультетов, учитывающих профиль обучения. Благодаря доступности электронные учебные пособия способствуют самосовершенствованию будущего специалиста, развивают его самостоятельность, что очень важно в условиях компетентностного подхода. Происходит индивидуализация процесса обучения – каждый студент может многократно работать с изучаемым материалом в удобное для него время.

При значительно уменьшенном объеме содержательной части дисциплины изменяются методы обучения – от репродуктивных к частично-поисковым и проблемно-поисковым; меняется форма организации занятий – чтение лекции заменяется беседой-дискуссией с самостоятельным освоением и обсуждением учебного материала, групповая работа сочетается с индивидуальной и фронтальной формами, что отражено в разработанном авторами пособии [3]. Оно содержит технологии проведения каждого занятия с применением различных видов деятельности студентов. Такая форма работы способствует развитию навыков анализа и систематизации информации. В процессе обучения преподаватель химии показывает наличие метапредметных связей химии с дисциплинами профессионального цикла, что убеждает обучающихся в том, что знания, получаемые ими, имеют прямое отношение к выбранной профессии и должны использоваться в их производственной деятельности.

Основной целью процесса обучения является приобретение студентом навыка «учить себя» – студент должен изменить себя и свое отношение к знаниям, чтобы обрести способность к произвольным действиям, на которые опирается учебная деятельность [2]. А современный процесс модернизации образования требует необходимости приближения содержания изучаемой дисциплины к будущей профессии, выбранной студентом.

Список литературы

1. Вербицкий А.А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход: методич. пособие. М.: Высшая школа, 1991.

2. Егорова А.А., Кожина Л.Ф., Косырева И.В. Особенности образовательного процесса в современных условиях модернизации: метод «поощрения и наказания» // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии: межвуз. сб. науч. тр. ХIII Всерос. конф. молодых ученых с междунар. участием (Саратов, 8–19 октября 2018 г.). Саратов, 2018. С. 271–273.

3. Кожина Л.Ф., Захарова Т.В., Пожаров М.В. Изучение химии «шаг за шагом» [Электронный ресурс]: дидактические материалы для самостоятельной работы: учеб.-методич. пособие для студентов геологического факультета. URL: http://library.sgu.ru/cgi-bin/irbis64r_17/cgiirbis_64.exe?LNG=&C21COM=2&I21DBN=ELBIB&P21DBN=ELBIB&Z21ID=&IMAGE_FILE_DOWNLOAD=1&IMAGE_FILE_OCC=1&IMAGE_FILE_MFN=2051 (дата обращения: 18.03.19).

4. Пичугина Г.А. Контекстное обучение в процессе подготовки студентов в вузе // Качественное экологическое образование и инновационная деятельность – основа прогресса и устойчивого развития России: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. (Саратов, 2 марта 2018 г.). Саратов, 2018. С. 91–93.