Использование программно-аппаратного комплекса в обучении химии

 

 

В рамках реализации комплексного проекта модернизации образования в 2008 году поступило в школу для кабинета химии технические средства обучения на сумму 214970 рублей. В том числе 18 электронных учебных пособий, компьютер, мобильный экран, проектор, программно-аппаратный комплекс, реактивы и КДОХУ, плакаты (89) и раздаточные материалы (40). Программно-аппаратный комплекс (ПАК) AFS  включает:

·        систему сбора данных

·        программное обеспечение «Инновационный школьный практикум»

·        набор датчиков (датчики электрической проводимости, оптической плотности, температуры, термопара)

·        учебно-методические материалы.

 

Этот комплект разработан для проведения демонстрационных учебных экспериментов по химии, биологии, физике с использованием компьютерного оборудования. Программное обеспечение каждой демонстрационной работы содержит инструкции по выполнению работы, краткий теоретический материал, контрольные вопросы, справочный материал. Необходимые для проведения эксперимента приборы и схемы представлены на экране компьютера. Во всех работах одновременно с ходом эксперимента можно увидеть графические зависимости полученных результатов и/или их табличное представление. Программное обеспечение позволяет проводить как натурный эксперимент, так и виртуальный эксперимент. Для более полного использования ПАК в учебном процессе мною разработана специальная программа в соответствии с тематическим  планированием уроков химии в 8-11 классах (см. «Приложение 1»).

 

Новые приборы и методика их использования на уроках химии.

 

В связи с информатизацией образования резко повысился интерес к проблеме применения компьютерных технологий в предметном обучении, в том числе и в обучении химии. При изучении химии в школе применение информационных технологий позволит сделать уроки более интересными и зрелищными, что очень важно для общеобразовательного курса. Применяя обучающие программы можно не только дополнить традиционный демонстрационный эксперимент, но также проиллюстрировать то, что невозможно другими средствами в силу различных обстоятельств (необходимость использовать взрывчатые или ядовитые вещества, уникальные или дорогостоящие реактивы, показать механизм протекания быстрых (доли секунды) или медленных (минуты, часы, годы) процессов и др.). При этом, наряду с качественной демонстрацией той или иной химической реакции, одновременно, для облегчения и углубления ее понимания, представляется возможность дать количественный анализ процесса и механизм его протекания.

 

Компьютерное сопровождение уроков с применением программно-аппаратного комплекса.

 

Программно-аппаратный комплекс (ПАК) AFS позволяет проводить различные эксперименты химического, химико-физического и химико-биологического направления.

Первая практическая работа в 8 классе – это «Правила безопасности при работе в химической лаборатории». На этом уроке учащиеся изучают строение пламени спиртовки. Выполнение этого опыта важно для того, чтобы учащиеся впоследствии осознанно использовали приемы нагревания. При этом учащиеся  на основе наблюдений выделяют  три зоны пламени по их окраске и по обугливанию спички на местах, пересекающих наружную часть пламени. И приходят к выводу, что температура в разных зонах пламени неодинаковая. Но вследствие того, что знаний у них о веществах и химических превращениях мало, более глубокие причины этого им трудно понять. Этот химический   эксперимент можно проводить более наглядно  и достоверно с применением ПАК, пользуясь датчиком температуры: термометр показывает температуру каждой зоны, фиксирует в таблице и выводит на экран компьютера. Учащиеся также видят, что температуры пламени разных горючих веществ - спиртовки, парафиновой свечи и сухого спирта - разные.   На основании полученных данных учащиеся формулируют  выводы: самая высокая температура в зоне В, а самая холодная в нижней части – в зоне А. Самую высокую температуру пламени развивает парафиновая свеча. Если по каким – то причинам (сломался датчик, нет сухого спирта и т.д.) невозможно проделать реальный (натурный) эксперимент, то ПАК позволяет тот же эксперимент проводить виртуально.

 

Таблица 1. Изучение строения пламени горючих материалов

 

№ опыта	Горючий материал	Температура пламени, °С
		Зона А	Зона Б	Зона В
1	Парафин	802,5	1201,6	1400,5
2	Этиловый спирт	350,2	900,9	1201,3
3	Сухое горючее	298,1	701,1	1001,2

Рис. 1

При изучении темы «Кинетика химических реакций» учащиеся постигают закономерности, с помощью которых можно управлять химической реакцией: создавать такие условия, которые в необходимой мере влияют на скорость химического процесса. Изучение вопроса о факторах, влияющих на скорость химических реакций, нужно сопровождать по программе демонстрационными опытами. Чтобы этот учебный материал был бы доступнее для понимания и легче усваивался, необходимо конкретизировать его химическим экспериментом, используя новые приборы и технологии.  Рассмотрим кинетику химической реакции на примере реакции окисления йодид-ионов персульфатом калия. Т.к. в лаборатории персульфата калия нет, то мы проводим виртуальный эксперимент. В ходе эксперимента в раствор йодида калия будет добавляться персульфат калия. Во втором опыте концентрация персульфата калия в растворе увеличится.   Для эксперимента используется ПАК с датчиком оптической плотности. Оптическая плотность раствора в процессе реакции будет возрастать за счет повышения концентрации йода. Когда значение оптической плотности раствора достигнет 0,5, измерения автоматически прекратятся. После этого на графике будет построена линия, соединяющее начальное и конечное значения концентрации ионов йода в растворе. Тангенс угла наклона будет определять среднюю скорость химической реакции. При этом о скорости реакции можно судить  качественно по изменению окраски раствора йодида калия и количественно с помощью одновременного построения на экране монитора графиков зависимости концентрации (°С) продукта реакции и скорости (v) реакции от времени (t). Значения концентрации также будут автоматически отображаться в системе координат. Учащиеся проанализируют результаты эксперимента, сформулируют свои выводы и сверяют с выводами, которые видят на мониторе. При постоянной температуре скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Чем больше концентрация, тем больше скорость реакции.

 Рис.2 Зависимость концентрации продукта от времени.

 

Приведенный на рис.2 график может явиться прекрасным дополнением к аналогичному реальному эксперименту, сделав его более наглядным и насыщенным. Однако ПАК позволяет изучать зависимость скорости химических реакций только от одного фактора -  концентрации реагирующих веществ. Для проведения демонстрационных работ по химии, связанных с изучением влияния различных факторов на скорость химических реакций предназначен прибор, указанный на рис.1. Прибор состоит из двух сосудов Ландольта, связанных с поворотным устройством, и двух манометрических трубок с воронками, смонтированных на пластине с оцифрованной шкалой. Химическая реакция вызывает подъем окрашенной жидкости. О различной скорости химической реакции в двух сосудах Ландольта судят по разности уровней жидкости в манометрических трубках.

Рис. 3

 

Анализ и коррекция собственного опыта постановки химического эксперимента.

 

Применение современных информационных технологий в обучении, а также  новых приборов существенно дополняет традиционные взгляды на методику преподавания химии, структуру и организацию учебной деятельности, делает изучение предмета более интересным, содержательным, зрелищным, что очень важно для методики преподавания естественных дисциплин.

Использование перечисленных выше программных средств на уроках химии имеют следующие достоинства:

·        значительный объем материала, охватывающий различные разделы курса школьной химии;

·        улучшается наглядность подачи материала за счет внешних эффектов: цвета, звука и движения;

·        наличие демонстраций тех химических опытов, которые опасны для здоровья детей (например, опыты с ядовитыми веществами);

·        ускорение на 10-15% темпа урока за счет усиления эмоциональной составляющей;

·        экономия времени;

·        учащиеся проявляют интерес к предмету и легко усваивают материал, повышается качество знаний учащихся;

·        прививает учащимся навыки исследовательской деятельности, развивает научное мышление, повышает мотивацию;

 

Перед демонстрацией любого опыта с использованием ПАК или других приборов поясняю ученикам цель работы. Предлагаю ознакомиться с кратким теоретическим материалом. Потом провожу фронтальную беседу по вопросам. Знакомлю с особенностями экспериментальной установки и методе проведения исследований.

Очень важно научить анализировать результаты экспериментов,  чтобы получить четкий ответ на поставленный в начале опыта вопрос, установить все причины и условия, которые привели к получению данных результатов. Также важно научить сформулировать собственные выводы. А потом свои выводы сверяют с выводами на экране.  Правильно организованный эксперимент воспитывает сознательную дисциплину, развивает творческую инициативу, бережное отношение к собственности.

При демонстрации реакции нейтрализации, например, путем приливания раствора кислоты в раствор щелочи с использованием лакмуса или фенолфталеина процесс нейтрализации обнаруживают по изменению цвета индикаторов: синий лакмус становится фиолетовым, а малиновая окраска фенолфталеина становится бесцветной. Выделение теплоты остается скрытым от учащихся. Применение в демонстрационном эксперименте ПАК с датчиком температуры позволяет охарактеризовать реакцию более доказательно. Тепловой эффект можно определить по формуле:

             

Q =  ∆T × (Ср-ра × m)/n ,

 

∆T –разность температуры до и после реакции;

С_р-ра – теплоемкость раствора;

m  -  масса раствора;

n – количество вещества.    

 

Таблица 2. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации          

 

Система	Масса стакана m1, г	Масса стакана m2, г	n	Tнач.	Tкон.	Тепло емкость системы, Ср-ра, Дж/°С	∆T= Tкон.- Tнач.	Q,   кДж
NaOH + HCl	138,00	110,90	0,20	24	43	53,950	19	10790
NH3 + CH3COOH	138,00	114,15	0,20	24	42,60	54,080	18,600	10816

 

Вывод:

             Реакция нейтрализации сопровождается выделением тепла.

 

             Тепловой эффект реакции нейтрализации между сильной кислотой и сильным основанием меньше теплового эффекта реакции нейтрализации между слабой кислотой и слабым основанием.