Химический эксперимент как средство установления межпредметных связей между химией и биологией



В данной работе предложено решение проблемы поиска средств осуществления взаимосвязи преподавания химии и биологии в средней школе. В результате нашего эксперимента разработана обобщенная блок-схема выполнения межпредметной исследовательской работы учащихся на стыке наук химии и биологии. В качестве биологического объекта были выбраны семена фасоли обыкновенной. Химический эксперимент затрагивает биохимические и физико-химические (коллоидные) процессы, происходящие в семенах растений в процессе прорастания. Кроме того, выполнение исследовательской работы учащихся имеет большое значение в аспекте экологизации образования.

Ключевые слова: блок-схема, исследовательская работа учащихся, межпредметные связи, химический эксперимент

Химический эксперимент играет ключевую роль в преподавании химии в школе. Это основной и специфический метод обучения, который непосредственно знакомит с химическими явлениями и одновременно развивает познавательную деятельность учащихся. В настоящее время очень актуальна проблема осуществления взаимосвязи между химией и биологией, многие учащиеся испытывают сложности при использовании химических знаний вне урока химии, например, для объяснения биологических явлений.

Цель исследования — разработать блок-схему исследовательской работы учащихся, позволяющей установить межпредметные связи между химией и биологией.

Задачи: разработать методику проведения химического эксперимента на биологических объектах; апробировать методику проведения химического эксперимента, устанавливающего взаимосвязь между химией и биологией.

В классической педагогике, в частности в работах Я. А. Коменского, Д.Локка, И. Г. Песталоцци, К. Д. Ушинского, уделялось большое внимание проблеме взаимосвязей между учебными предметами. Великие дидакты обосновали необходимость межпредметных связей для отражения целостности природы в содержании учебного материала, для создания истинной системы знаний и миропонимания [7, с.197–202]. И. Г. Песталоцци писал, что нужно приводить в своем сознании все взаимосвязанные между собой предметы в ту именно связь, в которой они действительно находятся в природе [1, с.65–67]. В отечественной педагогике XX века идея межпредметных связей получила свое развитие в исследованиях В. Н. Федорова, Д. М. Кирюшина, В. Н. Максимовой. С общепедагогических позиций межпредметные связи являются одним из средств комплексного подхода к обучению и воспитанию, в методическом плане межпредметные связи — это средство обеспечения согласованности программ и учебников по разным предметам. Реализация межпредметных связей служит важным средством интеграции знаний, разобщенных по разным учебным предметам [1, с.65–67]. Средства реализации межпредметных связей могут быть различны: например, химический эксперимент — если предметом его являются биологические объекты и химические явления, происходящие в них.

Химический эксперимент как источник знания о веществе и химической реакции является важным условием активизации познавательной деятельности учащихся, воспитания устойчивого интереса к предмету, формирования научной картины мира, а также представлений о практическом применении химических знаний [6, с.3–7]. Без эксперимента нельзя приобрести полноценных знаний об изучаемом объекте. Школьный эксперимент одновременно дает представление о методах самой науки и является одним из средств обучения ее основам. Через эксперимент у учащихся формируются универсальные учебные действия личностного, познавательного, регуляторного и коммуникативного характера [3, с.17–22].

Межпредметные связи между химией и биологией устанавливаются при рассмотрении вопросов охраны окружающей среды [5, с.37], биологической роли химических элементов, физиологического действия веществ, связи органических веществ с биологическими объектами, круговорота азота и углерода в природе [4, с.18]. Специфические свойства живого (рост, размножение, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды), связаны с комплексами химических превращений. С помощью химических методов в биологии установлена роль хлорофилла как основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, изучена природа передачи нервных импульсов, определена структура нуклеиновых кислот и т. д. [2, с.72–75].

Современное преподавание биологии и химии отражает реальное положение науки о живой природе в системе научного знания. Биология и химия тесно взаимодействуют с естественнонаучными и гуманитарными дисциплинами, формирование научной картины мира — это результат всего школьного обучения, который не может быть достигнут без взаимодействия разных дисциплин, приёмов и методов обучения [2, с.72–75]. Проблема установления взаимосвязи в преподавании между химией и биологией является чрезвычайно актуальной и, несмотря на долгую историю разработки, до сих пор не нашла эффективного решения.

В качестве темы для исследовательской работы учащихся было выбрано изучение процесса прорастания семян фасоли обыкновенной в присутствии водных растворов хлорида и сульфата марганца (II) разной концентрации. Выбор темы обусловливает возможность использования ее для участия в конкурсах химической, биологической и экологической направленности.

Блок-схема исследования

Блок 1. Выбор объекта для исследования

В нашем случае выбирали, какой вид растений можно использовать для проращивания (овес или фасоль). Решено было остановиться на семенах фасоли, поскольку они достаточно крупные, хорошо прорастают, легко можно фиксировать стадии процесса прорастания. Кроме того, фасоль имеет большое распространение в быту (выращивание на приусадебных участках, употребление в пищу).

Также был выбор, какие соли металлов можно применять для исследования. В школьном кабинете химии оказались в наличии сульфат цинка, сульфат и хлорид марганца (II), медный купорос. Марганец и цинк являются микроэлементами, которые в малых дозах необходимы растениям, ионы меди Cu²⁺ более токсичны, хотя тоже применяются в сельском хозяйстве как микроудобрения. Хлорид-ионы не рекомендуется применять в составе удобрений. Было решено изучить воздействие ионов Mn²⁺ в паре с сульфатами и хлорид-ионами на процесс прорастания семян фасоли обыкновенной.

Обязательным условием выбора объекта исследования была его безопасность для здоровья человека и возможность самостоятельной работы учащихся без дополнительных мер предосторожности.

Блок 2. Разработка методики эксперимента

При разработке методики эксперимента был сделан акцент на создание комплекса неблагоприятных условий для проращивания семян, поскольку результаты нашего эксперимента имеют экологическое значение и будут использованы для создания методики стресс-тестирования семян растений. В литературе известны методики стимулирования прорастания семян с помощью кратковременного замачивания (или протравливания) семян в растворе микроудобрений с последующей промывкой и дальнейшим проращиванием в чистой воде. В нашем эксперименте проращивание вели в достаточно экстремальных условиях: без контроля температуры и влажности, в растворе с подавляющими концентрациями солей тяжелых металлов (хлорида и сульфата марганца (II)).

В предварительных опытах была определена длительность проращивания одного образца (7–8 суток), периодичность взвешивания (раз в сутки) и прочие условия эксперимента. Эксперимент проводился в трех повторностях: три емкости, в которых прорастало по 20–25 семян. Поскольку семена являются биологическими объектами с постоянно изменяющимися свойствами, в каждом эксперименте использовался контрольный образец (проращивание в водопроводной воде), с которым в дальнейшем проводилось сопоставление результатов.

Блок 3. Получение и обработка первичных данных

Поскольку в распоряжении кабинета химии из точных приборов имеются лишь электронные технохимические весы, большая часть исследовательской работы учащихся строится на основе гравиметрических методов. Тем не менее, с помощью весов можно получить интересные результаты.

В каждый день эксперимента получали следующие первичные данные: общая масса семян, число проросших семян (всхожесть), масса проросших семян. Данные эксперимента ежедневно заносили в файл Excel, в котором была построена матрица для обработки: таблица с данными и графики зависимости. Каждый новый день эксперимента давал новую точку на графиках изменения массы и всхожести. Такой подход нагляден и позволяет эффективно контролировать ход эксперимента. Кроме того, все этапы проращивания фиксировали на фото.

Блок 4. Анализ первичных данных и получение результатов эксперимента

После окончания эксперимента была проведена обработка массива полученных первичных данных. Были построены графики изменения массы семян во времени на одной диаграмме для разных концентраций солей марганца (II) и водопроводной воды, а также графики изменения всхожести. Для характеристики изменений в процессе прорастания семян при использовании солей марганца (II) в качестве питательной среды были введены два новых параметра — прирост массы на 1 семя и потери прироста массы на 1 семя. Также были рассчитаны два параметра, характеризующих посевные качества семян, известные в литературе — дружность и средняя продолжительность прорастания.

Перечень затрагиваемых вопросов и тем по химии и биологии весьма обширен и содержит огромный потенциал для дальнейших исследований не только для учащихся, но и для учителей и ученых, работающих в области методики преподавания химии и биологии.

Разработанная блок-схема исследования позволяет, оставаясь в рамках данной тематики, провести целую серию научных работ учащихся, изменяя только объект исследования (семена других растений, соли других тяжелых металлов, являющихся микроэлементами). В процессе выполнения исследовательской работы учащихся устанавливаются межпредметные связи между химией и биологией, актуализируются, закрепляются и применяются на практике знания, полученные на уроках биологии и химии. Стоит отметить также большое экологическое значение разрабатываемой темы.

Методика проведения химического эксперимента, устанавливающего взаимосвязь между химией и биологией, апробирована при выполнении исследовательской работы учащихся. Результаты исследования были представлены в городе Белгороде на Областной конференции школьников «Юность науки Центрального Черноземья» 20 апреля 2016 г. и на II Шуховском фестивале научно-исследовательских и проектных работ 23 апреля 2016 г.

Литература:

1. Блинова, Т. Л. Подход к определению понятия «Межпредметные связи в процессе обучения» с позиции ФГОС СОО [Текст] / Т. Л. Блинова, А. С. Кирилова // Педагогическое мастерство: материалы III междунар. науч. конф. (г. Москва, июнь 2013 г.). — М.: Буки-Веди, 2013. — С. 65–67.
2. Васильева, Т. С. Межпредметные связи школьного курса биологии [Текст] / Т. С. Васильева // Педагогическое мастерство: материалы III междунар. науч. конф. (г. Москва, июнь 2013 г.). — М.: Буки-Веди, 2013. — С. 72–75.
3. Злотников, Э. Г. Химический эксперимент в условиях развивающего обучения [Текст] / Э. Г. Злотников // Химия в школе. — 2001. — № 1. — С. 17–22.
4. Назаренко, В. М. Изучение круговорота веществ в школьном курсе химии [Текст] / В. М. Назаренко // Химия в школе. — 1994. — № 2. — С.18.
5. Назаренко, В. М. Роль социальных, естественнонаучных и технических понятий в формировании экологических знаний [Текст] / В. М. Назаренко // Химия в школе. — 1993. — № 2. — С.37.
6. Назарова, Т. С. Химический эксперимент в школе [Текст] / Т. С. Назарова, А. А. Грабецкий, В. Н. Лаврова. — М.: Просвещение, 1987. — С.3–7.
7. Синяков, А. П. Дидактические подходы к определению понятия «Межпредметные связи» [Текст] / А. П. Синяков // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. — 2009. — № 113. — С.197–202.