Экспериментальный метод, его значение в химии

Xимический эксперимент придает особую специфику предмету химии. Он является важнейшим способом осуществления связи теории с практикой путем превращения знаний в убеждения.

 

В методической литературе можно  встретить много различных формулировок понятия химического эксперимента, используемого для обучения: «школьный  химический эксперимент», «ученический эксперимент по химии» и др. В  качестве центрального в этом многообразии понятий можно выделить понятие  «учебный химический эксперимент».

 

В учебном химическом эксперименте наиболее общими являются следующие  компоненты:

 

1) изучение химических  объектов (веществ и химических  реакций), рассчитанное на одновременное  восприятие всеми обучаемыми;

 

2) постановка целей и  задач эксперимента;

 

3) экспериментальная деятельность  самих обучаемых;

 

4) освоение техники химического  эксперимента.

 

На основе этих общих компонентов  понятие учебный химический эксперимент  можно представить как специальным  образом организованный фрагмент процесса обучения, направленный на познание объектов химии и развитие экспериментальной  деятельности обучаемых.

 

В школьном курсе химии  эксперимент является не только методом  исследования, источником и средством  нового знания, но и своеобразным объектом изучения.

 

Химический эксперимент  выполняет важнейшие функции: образование, воспитание (нравственное, духовное, трудовое, эстетическое, экономическое и др.) и развитие (в том числе памяти, мышления, эмоций, воли, мотивов и  др.).

 

Химический эксперимент  выполняет и некоторые частные  функции – информативную, эвристическую, критериальную, корректирующую, исследовательскую, обобщающую и мировоззренческую.

 

1. Информативная функция  проявляется в тех случаях,  когда химический эксперимент  служит первоначальным источником  познания предметов и явлений.  С помощью эксперимента обучаемые узнают о свойствах и превращениях веществ. В этих случаях явления рассматриваются такими, какие они есть в реальной обстановке. Будучи включенным в активную познавательную деятельность, обучаемый в состоянии проникнуть в суть химического явления, освоить его на эмпирическом уровне и использовать усвоенный материал в качестве способа дальнейшего познания.

 

2. Эвристическая функция  обеспечивает не только установление  фактов, но и служит активным  средством формирования многих  эмпирических понятий, выводов,  зависимостей и закономерностей  в химии.

 

Простейший пример, когда  на основе опыта устанавливается  факт: ученик, добавляя к раствору индикатора (фенолфталеина) несколько капель раствора гидроксида натрия, убеждается в том, что данный индикатор под действием  щелочи изменяет свою окраску.

 

Чаще всего установить факт намного сложнее. Например, опустив  кусочек цинка в раствор соляной  кислоты, ученик выясняет: во-первых, что  цинк реагирует с раствором соляной  кислоты; во-вторых, что в результате этой реакции выделяется газ; а при  выпаривании капельки раствора на стекле ученик устанавливает, в-третьих, что  в результате этой реакции образовалось новое вещество – хлорид цинка.

 

В учебной деятельности химический эксперимент не только позволяет  устанавливать факты, но и служит активным средством формирования многих химических понятий. Например, первоначальное формирование понятия «катализатор»  базируется на простом химическом опыте  разложения пероксида водорода в  присутствии оксида марганца(IV):

 

В пробирку с 2 мл 10%-го раствора пероксида водорода опускают пять гранул оксида марганца(IV). Начинается интенсивное выделение кислорода, наличие которого проверяют с помощью тлеющей лучинки. Как только тлеющая лучинка перестает воспламеняться, осторожно сливают жидкость из пробирки и вновь добавляют в нее

2 мл исходного раствора  пероксида водорода. Снова доказывают  наличие кислорода. Опыт повторяют  три раза.

 

На основании наблюдений учащиеся приходят к выводу, что  оксид марганца(IV) в ходе реакции  не расходуется. Затем они самостоятельно формулируют определение понятия  «катализатор» – вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но не расходуется при ее осуществлении.

 

Химический эксперимент  также позволяет выводить зависимости  и закономерности. Например, при  изучении скорости химической реакции  необходимо так организовать учебный  процесс, чтобы учащиеся сами установили зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. С этой целью им можно предложить провести взаимодействие раствора йодида калия с раствором пероксида  водорода в присутствии крахмала.

 

В три пробирки, содержащие раствор йодида калия с крахмалом, наливают раствор пероксида водорода: в первую пробирку с исходной концентрацией (3%), во вторую – разбавленный в два  раза и в третью – разбавленный в четыре раза. С помощью часов  или метронома фиксируют, что  во второй пробирке реакция протекает  в два раза медленнее, чем в  первой, а в третьей – в четыре раза.

 

На основании проделанного опыта учащиеся приходят к выводу, что скорость реакции прямо пропорциональна  концентрации реагирующих веществ. Полученный из эксперимента вывод можно  оформить графически в координатах  «время – концентрация». Такой путь: от эксперимента к графику, а от него к уравнению – пример высшего  проявления эвристического вывода. Он возможен при высоком уровне самостоятельности  и творческой активности учащихся.

 

Все вышеприведенные примеры  показывают, что эксперимент можно  использовать для организации прямых эвристических выводов.

 

3. Критериальная функция проявляется в том случае, когда результаты опытов подтверждают предположения (гипотезы) обучаемых, т.е. служат той «практикой, что является критерием истины». Это необходимое средство практического доказательства правильности или ошибочности предположительных суждений, выводов, а также подтверждения ряда известных положений.

 

Химический эксперимент  является средством сопоставления  суждений с субъективным отражением внешнего мира, полученным посредством  чувств. Поэтому он может восприниматься как средство проверки человеческих знаний о внешнем мире. В процессе обучения химии желательно каждое теоретическое  суждение проверять на «истинность» с помощью эксперимента.

 

Например, когда ученики  узнали, что вода состоит из водорода и кислорода, то им следует разъяснить, что это единственные составные  части воды. В этом случае целесообразно  поставить опыт по получению воды из кислорода и водорода: результаты опыта явятся доказательством того, что вода состоит только из этих элементов. Однако учащиеся должны понимать, что эксперимент не является абсолютным средством проверки истины. Приведенный опыт доказывает качественный состав воды, но он еще не говорит о ее количественном составе. Для того чтобы сделать определенные суждения о формуле воды, должны быть проведены новые эксперименты.

 

Часто эксперимент рассматривается  как средство опровержения или подтверждения  выдвинутой гипотезы. Например, при  изучении бензола, обсуждая его молекулярную формулу, учащиеся относят бензол к  непредельным углеводородам. Учитель  предлагает проверить на опыте, взаимодействует  ли бензол с бромной водой. Опыт не подтверждает выдвинутого предположения: бензол не вызывает характерного для  непредельных углеводородов обесцвечивания бромной воды. Из неудачи в эксперименте ученики делают вывод, что при  теоретических обсуждениях необходимо делать ориентировку на практику.

 

4. Корректирующая функция  позволяет преодолевать трудности  в освоении теоретических знаний: уточнять имеющиеся знания в  процессе приобретения экспериментальных  умений и навыков, исправлять  ошибки обучаемых, осуществлять  контроль за приобретенными знаниями.

 

Изучение количественных отношений в химии без химического  эксперимента вызывает трудности в  освоении таких понятий, как «моль», «молярная масса», «молярный объем», «относительная плотность газов», а  также в понимании количественных закономерностей, составляющих сущность стехиометрических законов. Эти  трудности в перспективе могут  быть преодолены путем разработки специальных  количественных экспериментов и  количественных экспериментальных  задач, которые, к сожалению, не предусмотрены  существующими программами по химии  полной средней общеобразовательной  школы.

 

Ученические опыты можно  использовать для формирования правильных суждений учащихся и исправления  ошибочных. Например, изучая свойства кислотных оксидов, учащиеся на уроке  узнают из эксперимента, что оксид  углерода(IV) и оксид серы(IV) взаимодействуют  с водой. Такое взаимодействие учащиеся доказывают с помощью лакмуса. Но если ограничиться только этими опытами, то у учащихся может возникнуть ряд  ошибочных представлений, связанных  с неправильным переносом знаний. Так, например, большинство учащихся пишут уравнение реакции не существующего  в природе процесса взаимодействия оксида кремния(IV) с водой. Для исправления  этой ошибки необходимо, чтобы учащиеся провели опыт и сами убедились  с помощью раствора лакмуса, что  данные вещества не взаимодействуют  между собой. Такие опыты помогут  учащимся преодолеть типичные ошибки.

 

В практической деятельности учащихся также велика вероятность  ошибок, связанных с нарушением правил техники безопасности. При получении  хлороводорода и соляной кислоты учащиеся нередко опускают газоотводную трубку прибора в воду, забывая о том, что хлороводород хорошо растворяется в воде. Даже предупредительные слова учителя и инструкция учебника не оказывают должного воздействия. В подобной ситуации необходим специальный корректирующий эксперимент, демонстрирующий возможные последствия при неправильном проведении реакции. Учитель умышленно делает экспериментальную ошибку и тем самым показывает, как не следует ставить данный опыт. Видя результаты неправильного обращения с прибором, учащийся в своей практической работе уже не допустит подобной ошибки.

 

5. Исследовательская функция  связана с развитием практических  умений и навыков по анализу  и синтезу веществ, поиску знаний  о свойствах веществ и исследованию  их простейших признаков, конструированию  приборов и установок, т.е. освоению  простейших методов научно-исследовательской  работы. В соответствии с этой  функцией учебный химический  эксперимент как бы соединяет  применение основных приемов  научного метода с выполнением  учащимися учебно-исследовательских  заданий.

 

Наиболее распространенными  и доступными исследованиями являются практические работы по качественному  анализу веществ. Экспериментальные  исследовательские работы ценны  в творческом отношении и дают возможность обучаемым самим  создавать опытные установки  для исследования веществ. В ходе таких работ не только изучаются  вещества, но и осваиваются различные  экспериментальные методы, применяемые  в химии.