Соединения кремния в природе(использование материала во внеклассной работе)

    федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский педагогический государственный университет»

Биолого-химический факультет

Кафедра органической и биологической химии

 

 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

на тему:

«Соединения кремния в природе(использование материала во внеклассной работе»

 

 

 

Выполнила

Михалева Т.Г.

 

Научный руководитель:

К.б.н. доцент Гоголевская Н.И..

 

 

Рецензент:

к.б.н., доцент Супоницкая И.И.

 

 

 

 

                                                 Москва – 2011                            

 

 

Содержание 

Введение...................................................................................................................3

Задачи и методы работы………………………………………………………...4

Глава I. Современные тенденции в естественнонаучном образовании средней школы. Место химии в образовательной области «Естествознание»………………………………………………………………..6

1.1. Цели, принципы и структура естественнонаучного образования…………………………………………………………………………...6

1.2. Цели, принципы, содержание и структура школьного химического образования, его место в системе естественнонаучного образования…………………………………………………………………….10

1.3 Интеграция в химическом образовании……………………...................15

Глава II. Кремний - царь неживой природы…………………………………21

2.1.Распространенность кремния……………………………………………. 21

2.2.Минералы, образованные на основе оксида кремния(VI) ……………..21

2.3Минералы на основе силикатов и алюмосиликатов……………………..23

2.4 Биологическая роль кремния……………………………………………..33

Глава III. Использование внеклассной работы учащихся  при изучении соединений кремния на основе интеграции химии с географией………………………………………………………………………34                    

Выводы………………………………………………………………………….48

Список литературы…………………………………………………………….49

 

 

 

 

 

 

                                  Введение.

Химическое образование является неотъемлемой составной частью естественнонаучного образования. Оно необходимо для формирования в сознании школьников химической составляющей естественнонаучной картины мира. Сфера образования – это основной ресурс экономического и социального развития страны.

      Необходимо сформировать у молодого поколения новые мышления на принципах коэволюционной стратегии, то есть гармоничного развития человека, общества и природы. Это неизбежно требует интеграции курсов естественнонаучного цикла с социально-гуманитарным.

      В задачи изучения химии входит формирование таких интегративных понятий, как причинно-следственные связи в мире явлений природы, нарушение природного баланса вследствие хозяйственной деятельности человека, проблемы экологии. Важно излагать учащимся химические процессы в недрах Земли и на ее поверхности, а также в живых организмах. Это может быть реализовано в частности, на соединениях кремния.

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 Задачи и методы работы

 

При написании дипломной работы были поставлены следующие задачи:

1.Проанализировать уровень представлений школьников и выпускников школ о природных соединениях кремния и других элементов, о распространенности кремния в природе.

2. Разработать систему мероприятий (на основе внеклассной работы) направленных на усиление мотивации девятиклассников к изучению соединений кремния и их роли в жизни нашей планеты.

 

 

Для выполнения данных задач были использованы следующие методы:

1.Анализ методической литературы, посвященной тенденциям естественнонаучного и химического образования. Интеграция химии с географией.

2.Анализ литературы по химии, геохимии и минералогии, посвященной свойствам соединений кремния и их роли в неживой и живой природе.

3.Составление анкеты и анкетирование школьников и студентов.

4.Разработка и проведение химического эксперимента.

5.Подбор и использование Интернет-ресурсов для подготовки презентации по теме «Природные соединения кремния».

6.Наблюдения за учащимися в ходе урока и внеклассных занятий.

 

Работа проводилась в 2009-2010 и 2010-2011 учебном году в школе № 96 Центрального округа г. Москвы, в школе № 1678 Северо-Восточного округа г. Москвы и в сельской школе Владимирской области.

                 

 

 

                                Обзор литературы

Глава I. Современные тенденции в естественнонаучном образовании средней школы. Место химии в образовательной области «Естествознание».

1.1 Цели, принципы и структура естественнонаучного образования.

Цели образования в российской школе законодательно утверждены в 1992 году Законом РФ «Об образовании» от 10 июля 1992 года № 3266-1 , где утверждается, что образование должно быть ориентировано на обеспечение «самоопределения личности, создание условий для ее самореализации, ее интеграции в системы мировой и национальной культур; формирование у обучаемого адекватной современному уровню знаний и уровню образовательной программы картины   мира,    общей   и   профессиональной   культуры;    формирование человека-гражданина, интегрированного в современное ему общество и нацеленного на его совершенствование; воспроизводство и развитие кадрового потенциала страны» [22].

Вышеперечисленные цели должны быть реализованы в каждой конкретной образовательной области, в частности и в естественнонаучной.

Естественнонаучное образование — один из компонентов подготовки
подрастающего поколения к самостоятельной жизни. Оно обеспечивает
всестороннее развитие личности ребенка вместе с такими компонентами, как
гуманитарный, социально-экономический, валеологический  и технологический.

Естественнонаучное образование формирует представления учащихся о научной картине мира. Содержание естественнонаучного образования строится на научных фактах, а также теоретических модельных представлениях ученых об окружающем мире. В то же время задача образования значительно шире, чем передача научной информации.

Естественнонаучное образование строится на основе изучения физики, химии, астрономии, биологии, географии, которые являются его ядром. Быстрое развитие одной науки влечет за собой развитие другой, что привело к возникновению дисциплин на стыке нескольких наук (физическая химия, биологическая химия, астрофизика, экология и т.д.). Естественно, что достижения естественных наук повлияли не только на жизнь людей, но и в целом на структуру и содержание школьного образования.

Итак, основные цели естественнонаучного образования:

1.Изучение основ наук, составляющих фундамент образовательной области «естествознание»;

2. Формирование  в сознании школьника естественнонаучной картины мира;

3. Изучение прикладного аспекта естественных наук;

4. Формирование представлений о научных методах исследования и их месте в системе общечеловеческих культурных ценностей.

Осуществление реализации данных целей основано на определенных дидактических принципах. Они позволяют четко отобрать и построить структуру естественного образования и определить содержание учебного материала. Среди них следует выделить принципы научности, фундаментальности, доступности, непрерывности, историчности, целостности и системности естественнонаучного образования.

Принцип научности имеет важное методологическое значение для отбора учебного материала. Его применение обеспечивает приоритетный выбор различных методик обучения, ставит заслон антинаучным и лженаучным теориям, получившим, к сожалению, в последнее время широкое распространение в средствах массовой информации.

Принцип фундаментальности ориентирует на изучение и усвоение учащимися основных, базовых научных теорий, понятий, моделей, результатов фундаментальных исследований, имеющих общенаучное значение, являющихся достоянием человеческой культуры.

Принцип доступности подчеркивает необходимость на всех этапах школьного образования учитывать возможности школьника (его возрастные особенности) в восприятии, обработке и усвоении учебной информации. Доступность базируется на следующих принципах — систематичности, целостности и непрерывности образования.

Принцип систематичности диктует строгую логическую последовательность построения содержания учебного материала, взаимосвязь его структурных элементов.

Принцип целостности и системности призван сформировать у  учащихся систему научных знаний, основанных на ведущих теориях науки. Этот принцип служит основой для реализации межпредметных связей, создания единого методологического подхода к рассмотрению природных процессов и явлений с точки зрения различных естественных наук.

Принцип непрерывности постулирует простую истину, проверенную многолетним опытом преподавания: для усвоения знаний по предмету к нему необходимо обращаться на протяжении всего срока обучения. Перерыв в обучении приводит к быстрому забыванию предмета в силу психологических особенностей детей.

Принцип историзма реализует гуманитарную составляющую научного образования, подчеркивая преемственность на различных этапах развития науки, показывая роль отдельных ученых в этом процессе.

Принцип связи обучения с жизнью – это также важнейший дидактический принцип. Он формирует мотивацию обучения, осознание учащимися необходимости изучения того или иного предмета.[1]

Глубокие социальные преобразования, происходящие в нашей стране с конца 80-ых годов XX столетия, потребовали кардинального изменения приоритетов школы, переориентации ее целей и задач на удовлетворение интересов и потребностей каждой отдельной личности, а не только общества в целом.

Ведущие принципы новой государственной политики в области образования были закреплены в Законе Российской Федерации «Об образовании» от 10 июля 1992 года № 3266-1 Их реализация нашла выражение в создании различных типов общеобразовательных учреждений, предоставлении школам и учителям права работать по разным (в том числе авторским) программам, выбирать учебники и строить учебный процесс в соответствии с интересами учащихся и творческим потенциалом самого учителя.

Однако в своем развитии современная российская школа столкнулась с целым рядом серьезных трудностей, которые отрицательно сказались на состоянии естественнонаучного и, в частности, химического, образования. С одной стороны, причиной их возникновения стали сложные социально-политические условия в стране. Это привело, в частности, к значительному ослаблению экономической базы школы. В девяностые годы двадцатого столетия большинство школ оказалось неукомплектованными техническими средствами и учебным оборудованием, нарушилась система обеспечения их учебниками и учебно-методическими пособиями. Падение престижа естественнонаучного образования обусловило снижение интереса к изучению предметов этого цикла в школе.

С другой стороны, эти трудности были обусловлены негативными явлениями в самой системе образования. Прежде всего, это постепенное сокращение учебного времени, отводимого на изучение естественнонаучных предметов, при сохранении прежнего объема содержания, что повлекло за собой стойкое увеличение учебной нагрузки школьников. Серьезные трудности   создала   также   задержка   с   утверждением   государственного стандарта основного общего образования и его внедрением в практику массовой школы.

В результате организация преподавания естественнонаучных предметов (в том числе химии) в существующей ныне российской школе вошла в серьезное противоречие с теми задачами, которые поставлены перед ней на современном этапе развития общества.

При условии улучшения экономического положения школы возможность выхода из создавшейся ситуации открывает планируемый переход российской системы образования на мировой стандарт продолжительности обучения в средней школе (12 лет). Проработка всего комплекса проблем, возникающих в связи с изменением структуры школы, делает необходимым для каждой предметной области пересмотр целей и содержания образования.

 

1.2 Цели, принципы, содержание и структура школьного химического образования, его место в системе естественнонаучного образования.

Химическое образование является неотъемлемой составной частью всего естественнонаучного образования на всех ступенях школы.

Основные цели изучения химии в школе:

1.Формирование представлений о химической составляющей естественнонаучной картины мира, важнейших химических понятиях, законах и теориях;

2. Овладение методами научного познания для объяснения химических явлений и свойств веществ, оценки роли химии в развитии современных технологий и получении новых материалов;

3. Воспитание убежденности в позитивной роли химии в жизни современного общества, необходимости грамотного отношения к своему здоровью о окружающей среде;

4. Применение полученных знаний для безопасного использования веществ и материалов в быту, сельском хозяйстве и на производстве, решения практических задач в повседневной жизни, предупреждения явлений, наносящих вред здоровью человека и окружающей среде.[13]

Содержание школьного химического образования представляет собой систему, функционально полную с точки зрения решения задач обучения, воспитания и развития учащихся. Система включает знания о химическом элементе, веществе, химической реакции, о практическом использовании веществ и химических превращений, о возникающих при этом экологических проблемах и путях их решения, представления о развитии химических знаний, объективной необходимости такого развития.

Система химического образования в российской школе имеет давние традиции. За многие годы сложилась структура курса химии в целом, определилось его конкретное содержание, хотя последнее неоднократно менялось с учетом задач, которые ставились перед общеобразовательной школой на разных этапах развития страны и народного образования. В результате многолетнего совершенствования содержания курса в основу его изучения была положена естественная система неорганических и органических веществ, которые рассматриваются на базе важнейших понятий, законов и теорий химии. [22]

Определились главные направления совершенствования методов преподавания химии, призванных обеспечить активное учение, развитие общеучебных и специальных предметных умений и навыков учащихся, объективный контроль их достижений.

Потенциал, накопленный в системе школьного химического образования, позволил в определенной мере решать как общепедагогические задачи, так и задачи обеспечения осознанного и прочного усвоения учащимися основ химии.

Образовательная область «химия» была и должна остаться одной из базовых областей в структуре содержания основного общего и среднего (полного) образования. Развитие химического образования должно осуществляться на основе ведущих принципов государственной политики в области образования: его демократизации, дифференциации и гуманизации, а также положительных традиций и практического опыта отечественной школы.

Химия — одна из областей естествознания и производственной деятельности человека. Она изучает превращения, состав, строение, свойства и практическое использование веществ. Поэтому изучение химии в школе является основой для формирования ряда фундаментальных представлений о мире: атомистическое учение, связь между составом, строением и свойствами сложной системы любого типа, представления о диалектическом единстве хаоса и упорядоченности, дискретного и непрерывного, эволюции вещества, о взаимосвязи форм энергии, о законах сохранения материи и энергии.[23]

Все это на фактическом материале химии находит наглядное выражение, дает необходимую пищу для размышлений об окружающем мире, тренировки и развития интеллекта. В этом состоит одна из важнейших целей

химического образования в школе, и этим, прежде всего, определяется его значение для формирования личности.

Имеется также весьма важный прикладной аспект химического образования: дать выпускнику минимум химических знаний, необходимых для повседневной жизни и деятельности во всех областях народного хозяйства, культуры, науки, в том числе не связанных с химией непосредственно. Чтобы обеспечить рациональное поведение каждого человека, а во многих случаях и элементарную безопасность — свою и окружающих, чтобы предотвратить ущерб природе, необходим некоторый минимум химических знаний, а также определенная система взглядов, которые должны быть сформированы в результате усвоения содержания курса химии средней школы.

Химическое образование призвано способствовать выработке экологически грамотного, безопасного поведения человека. Оно необходимо для создания у школьников отчетливых представлений о роли химии в решении сырьевых, энергетических, продовольственных, медицинских проблем человечества. Следует иметь в виду, что химия — это не только наука, не только учебная дисциплина, но и весьма значительная отрасль производства, занимающая особое место в современной цивилизации. Существенно, что химическая технология составляет основу таких, казалось бы, нехимических производств, как металлургия, пищевая и фармацевтическая промышленность, индустрия строительных материалов и даже ядерная энергетика.

Элементарное химическое (а также биологическое и физическое) образование необходимо для выработки критического отношения к потоку мистики, псевдонаучной, недобросовестной рекламы, обильному выливаемому средствами массовой информации на головы населения. [23].

 Выделяют три этапа изучения химии: пропедевтический, основной и профильный.

1.Пропедевтический этап получения химических знаний - I-IV классы
начальной школы и V—VII классы основной школы.

 

На этом этапе первоначальные элементы химических знаний вводятся при изучении:

 -    курсов    «Природоведение»    или    «Окружающий    мир»  (I-IV кл.);
«Естествознание» (V-VIkл.);

-   систематических  курсов  биологии, географии  и  физики  (V-VII  кл.);

-  пропедевтического курса химии «Введение в химию» (VII кл.).

Знания, получаемые на этом этапе обучения, служат решению задачи формирования у школьников первоначального представления о мире. В

результате пропедевтической подготовки по химии учащиеся должны получить представление о составе и свойствах некоторых веществ, а также первоначальные сведения о химических элементах, символах химических элементов, химических формулах, простых и сложных веществах, химических явлениях, реакциях соединения и разложения. Знакомство учащихся с этими вопросами на начальных этапах обучения позволит в систематическом общеобразовательном курсе химии обоснованно перейти к рассмотрению свойств веществ и химических явлений в свете учения о строении вещества.

2.Основной (базовый) этап школьного химического образования -
(VIII-IX классы или VIII-X при двенадцатилетнем образовании) основной
школы.

Нормативный объем этого курса в соответствии с федеральным базисным учебным планом составляет 2 ч в неделю в каждом классе. Обязательное    обучение    химии    в    основной    школе    должно    быть систематическим, относительно завершенным и обеспечивать обучающимся химическое  образование,  необходимое  для  жизни,  а также для  выбора способов     продолжения     образования     в     целях     профессионального самоопределения в дальнейшем. На этом этапе изучаются основы общей, неорганической и органической химии.

Содержание химического образования на его основном этапе призвано обеспечить формирование у учащихся представлений о многообразии веществ, зависимости свойств веществ от их состава и строения, материальном единстве и генетической взаимосвязи органических и неорганических веществ, роли химии в познании явлений жизни, развитии материального производства, решении экологических проблем. Это позволит раскрыть общеобразовательное значение химии, ее гуманистическую направленность, дать больше практических сведений об использовании химических знаний в повседневной жизни, в труде.

Практическую направленность курсов усиливает систематическое использование демонстрационного и лабораторного эксперимента, который формирует умения проводить несложные химические опыты, «химическую культуру» обращения с веществами и материалами.

3. Профильный этап изучения химии - (X-XI или Х-ХП классы при двенадцатилетнем образовании) средней (полной) школы. В  средней  (полной)  школе  в  наибольшей  мере реализуются  принципы демократизации и дифференциации образования.

Учащиеся получают право выбрать один из предлагаемых профилей обучения: общеобразовательный, гуманитарный, естественнонаучный (физико-математический, биолого-химический, медицинский, технический и др.)

Изучение   химии   на   этом   этапе   может   осуществляться   в   рамках

систематических курсов, включающих инвариантное ядро содержания, но отличающихся по объему и глубине изложения материала, а также прикладной направленности. Инвариантное ядро содержания обеспечивает общеобразовательную подготовку учащихся.

1.3 Интеграция в химическом образовании.

Роль химии в системе общего среднего образования обусловлена значе­нием самой химической науки в познании законов природы. Химические знания наряду с физическими, биологическими, географическими служат базой для понимания научной картины мира, формирования важнейших мировоз­зренческих идей: о материальном единстве окружающей природы, о познавае­мости химических явлений, в том числе происходящих в живых организмах, о причинно-следственной связи между составом веществ, их строением и свойствами. Знание курса химии связано также с неуклонно возрастающим значением этой науки в создании материальной и духовной культуры современного общества, а также в формировании экологически здоровой среды обитания на Земле.

     Дифференциация естественных наук, разграничение предмета и методов исследования каждой из них ,безусловно сыграли большую роль  в раскрытии тайн природы. Наряду с дальнейшей дифференциацией наук, важнейшей тенденцией современного естественнонаучного знания является его интеграция, вытекающая из единства объектов изучения, единства законов развития природы и общества, а также методов научного познания.

      Взаимопроникновение химии с другими естественными науками привело и приводит к возникновению смежных наук -геохимии, космохимии, биогеохимии, химической технологии. Эти тенденции в развитии современной науки, а также социально-экономические реалии современного мира порождают неизбежность глобализации образова­ния, формирования интегративного мышления школьников.

Интеграция - (лат) - восстановление, восполнение, объединение частей в целое (integer - целый), причем, не механическое соединение, а взаимопроникновение, взаимодействие, взаимовидение.

 История интеграции в просвещении ХХ века  структурируется на три этапа:

• рубеж XIX-XX веков – 20-е гг.XX столетия- это проблемно-комплексное обучение на межпредметной основе (трудовая школа);
• использование межпредметных связей;
• собственно интеграция.

Рассмотрим эти этапы более подробно. Первые практические попытки создания системы образования на проблемно-комплексной интеграционной основе были предприняты в начале века в США Дж. Дьюи и в 20-х гг. в Советской России С. Т. Шацким, М. М. Рубинштейном и др. Это направление вошло в историю педагогики под названием трудовой школы. Основной принцип – «метод жизненных комплексов», то есть интеграция знаний из различных предметных областей вокруг некой общей проблемы. Это был первый практический опыт организации учебного процесса. Но в 1931 году метод был осужден и отвергнут.

      Второй этап – использования межпредметных связей, в рамках отдельных дисциплин – начинается с 50-ых годов XX столетия. Межпредметные связи помогают школьникам формировать такие качества знаний, как системность, глубину, осознанность, гибкость. Они развивают системное и творческое мышление у учащихся, помогают формировать их познавательную активность, самостоятельность. Межпредметные связи помогают преодолеть предметную инертность мышления и расширяют кругозор учеников. Межпредметные связи содействуют всем направлениям воспитания школьников, обеспечивают комплексный подход к воспитанию. С помощью межпредметных связей учитель совершенствует содержание учебного материала, методы и формы организации обучения. Реализация межпредметных связей требует совместного планирования учителями комплексных форм учебной и внеклассной работы, которые предполагают знание ими учебников и программ смежных предметов. Реализации межпредметных связей химии с биологией посвящен ряд работ известного методиста Д.П.Ерыгина Его перу принадлежат в частности, сборник задач по химии, разработки уроков, факультативов, внеклассной работы с межпредметным содержанием.[9]

В своих работах Д.П. Ерыгин указывает пути реализации межпредметных связей химии и биологии:

1.Раскрытие содержания тех понятий, которые имеют общие точки соприкосновения, т.е. являются взаимозависимыми;

2.Решение задач с межпредметным содержанием, которые позволяют учащимся глубже понять природу и химические свойства веществ;

3.Химический эксперимент.[9]

С 80-х годов XX столетия начинается третий этап развития интегративных процессов в отечественной педагогике - этап собственно интеграции. Интеграция в образовании осуществляется в следующих направлениях:

а) создание новых типов школ интегрированного характера (лицеи, колледжи, гимназии);

б)разработка учебных интегрированных курсов, в том числе элективных;

в) использование интегративных методов и форм обучения (интегрированные уроки , деловые игры).

Под интеграцией в образовании понимается процесс создания из множества образовательных элементов устойчивого единства, обладающего целостными свойствами и закономерностями. В ходе данного процесса увеличивается объем взаимосвязей; упорядочивается функционирование различных структур в системе знаний; развивается умение видеть частное в общем и общее в частном; усиливается интеграция в содержании образования, являясь отражением синтетических подходов к познанию мира, природы, мышления. Все это является важнейшим компонентом повышения качества обучения и условием эффективности учебно-исследовательской деятельности.

        Интеграция разных образовательных областей знаний позволяет перестраивать и конструировать содержание учебных курсов, стирая между ними границы и налаживая связи, что восстанавливает в сознании ребенка целостное восприятие изучаемого мира. В этом и заключается ее системообразующий смысл.

Интеграция – это не простое объединение частей в целое, а система, которая ведет к количественным и качественным изменениям.

Интегративный подход к обучению – это реальное воплощение интегративного принципа в профессиональной деятельности учителя: совокупность задач, содержания, форм, методов, приемов, средств в изучении взаимосвязанного материала родственных дисциплин для создания системных знаний школьников в данной области, влияющих на формирование целостного мировоззрения учащихся.

Интеграционные процессы в образовании проявляются на трех уровнях: внутрипредметном, межпредметном, межсистемном.

 

Внутрипредметная интеграция  содержания - это переход от разрозненных фактов к их системе.  Интеграция этого уровня  направлена на «спрессование» материала в крупные блоки, что ведет к изменению структуры содержания дисциплины. В этом смысле, интегрированное содержание является «информационно более емким и направлено на  формирование способности мыслить информационно емкими категориями» (В.Т.Фоменко).

Синтез второго уровня – межпредметная интеграция – проявляется в использовании законов, теорий, фактов и методов одной учебной дисциплины при изучении другой. Осуществленная на этом уровне систематизация содержания приводит к такому познавательному результату, как формирование целостной картины мира в сознании учащихся. Это ведет к появлению качественно нового типа знаний, находящего выражение в общенаучных понятиях, категориях, подходах. Межпредметная интеграция существенно обогащает внутрипредметную.

Межсистемная интеграция содержания - это объединение содержания образовательных областей обучения, организованное по второму уровню интеграции, с содержанием образования, получаемого детьми вне школы.

С точки зрения глубины процесса интеграции можно выделить следующие ступени:

1.Тематическая интеграция (два-три учебных предмета раскрывают одну тему). Этот уровень можно назвать иллюстративно-описательным.

2.Проблемная интеграция (одну проблему решают учащиеся возможностями разных предметов).

3.Концептуальная интеграция (концепция рассматривается различ-ными учебными предметами в совокупности всех их средств и методов).

4.Теоретическая интеграция (философское взаимопроникновение различных теорий).

Последняя ступень интеграции предполагает использование понятий и принципов, заимствованных из разных областей знаний, что позволяет представить мир как целостную картину. В практике работы школы используются различные пути реализации интегративного обучения, в частности: факультативы, элективные и междисциплинарные курсы, проектная деятельность учащихся, разработка и проведение интегрированных уроков.[32]

В течение последнего десятилетия в научно-методической литературе, в частности, в журнале «Химия в школе» опубликован ряд статей, посвященных интегрированным урокам. Наибольшее число работ связано с интеграцией химии с биологией.[3]. Значительно реже встречаются работы, в которых авторы разрабатывают интеграцию химических знаний с географическими.[4].

Разработан интегрированный урок по теме «Оксиды, их важнейшие представители, роль в природе и жизни человека». Где используются сведения, полученные учащимися на уроках географии. Вызывает интерес также статья В.И.Шилова «Использование минералов при формировании химических понятий»[29]. Автор с целью усвоения учащимися понятия «химический элемент», использует природные тела- минералы и горные породы, а также материалы, полученные в промышленности, в частности сплавы металлов[30]. В ряде статей приводится опыт использования материала о природных соединениях углерода, в частности нефти[], карбонатов[3]. В тоже время почти отсутствуют работы, посвященные знакомству с природными соединениями кремния, а именно они и составляют так называемый «Кислородосодержащий панцирь» Земли. В следующей главе подробнее остановимся на этих соединениях и образующих ими минералах.

 

Глава II. Кремний - царь неживой природы.

 

2.1 Кремний второй по распространенности (после кислорода) элемент в земной коре: массовая доля кислорода равна 47%, кремния- 27,6%. Он представлен в природе тремя стабильными изотопами: Si-28 (92,27%), Si-29 (4,68%) и Si-30 (3,05%).

 

Большая распространенность в природе кислорода и кремния, а также прочность связи Si-O (энергия связи составляет 445кДж/моль), является причиной огромного числа минералов и горных пород, образованных кислородосодержащими соединениями кремния (оксидом SiO₂ и силикатами). На долю силикатов приходится массы Земной Коры, а содержание силикатов вместе с кварцев возрастает до 87%. Не случайно в геохимии применяется выражение »Кремнекислородный панцирь Земли» В очень незначительных количествах кремний 9  в виде оксида), содержится в коллоидно-дисперстном состоянии в морской воде (концентрация 3мг/л). 

 

2.2 Минералы, образованные на основе оксида кремния(VI) .

«Кремний-царь не живой природы». SiO₂- оксид кремния(VI) диоксид Si или кремнезем.

В отличие от диоксида углерода  СО₂, который при обыкновенных условиях существует в газовой фазе в виде отдельных молекул (мономеров), кремнезем полимерен, он образует атомную кристаллическую решетку, в которой отсутствуют двойные связи между атомами кремния и кислорода.

Таким образом, каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, при этом образуется тетраэдр [SiO₄]. Такая же структура сохраняется и в силикатах, о чем будет подробнее сказано дальше.

Кремнезем образует в природе кристаллические модификации: кварц, тридимит и кристобалит. Наиболее распространен в Земной коре минерал кварц. Он встречается как в виде самостоятельных минералов, некоторые из которых используются в ювелирном деле, так и в составе горных пород (является важнейшим породообразующим минералом).

Известны многочисленные разновидности(около 200) кварца ( по цвету, прозрачности, структуре и тд.).

Горный хрусталь - бесцветный

Аметист - фиолетовый

Цитрин - желтый

Дымчатый кварц

Розовый кварц

Морион – черно-коричневый

Кроме кристаллических форм кремнезема в Земной коре распространены скрытокристаллические (халцедон, хризопраз, яшма). Разновидности халцедона агат и оникс очень красивые благодаря концентрическому рисунку

Аморфная и частично гидратированная форма кремнезема – опал. Он очень красив и также относится к полудрагоценным камням.

Кремень – мелкозернистая разновидность кремнезема

Песок – почти чистый SiO_2.

Установить кристаллическое строение кремнезема, как и множества других соединений позволил в конце XX века метод рентгеноструктурного анализа.

 

2.3 Минералы на основе силикатов и алюмосиликатов.

 

Силикаты и алюмосиликаты представляют собой обширную группу минералов около 500. Для них характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и их комплексов другими. Главными химическими элементами, входящими в состав силикатов, являются O,Si,AI,Fe(Fe⁺²,Fe⁺³),Mg,Mn(Mn⁺²),Ca,Na,K, а также, Li,B,Be,Zr,Ti,F.H,в составе OH-ионов или H₂O и др.

Силикаты и алюмосиликаты являются породообразующими минералами. Из них сложена основная масса горных пород: граниты, базальты, гнейсы, глины и др.

Хотя история развития человеческого общества тесно переплетена с использованием силикатов как природного, так и искусственного происхождения, научный подход к изучению этих соединений сформировался относительно поздно – в конце XVIII – начале XIX столетия вместе со становлением химической науки. Это объясняется и специфическими особенностями силикатов: сложностью строения, вариациями химического состава, нерастворимостью и химической пассивностью, способностью к переходу в нестабильные состояния и высокой температурой плавления.

Первой научной теорией по систематике силикатов была так называемая поликремневая теория силикатов, которая на протяжении длительного времени (конец первой половины XIX ‑ 20-е годы XX века) играла важную роль в химии силикатов. Согласно этой теории, силикаты рассматривались как соли кремниевых кислот общей формулы nSiO₂ .mН₂О (n, m – целые числа). Значениям n > 1 соответствовали поликремневые кислоты. Простейшими представителями кремниевых кислот условно считают метакремниевую Н₂SiО₃(n = 1, m = 1), ортокремниевую Н₄SiO₄(n = 1, m = 2), двуметакремниевую Н₂Si₂O₅(n = 2, m = 1), пирокремниевую  Н₆Si₂O₇(n = 2, m = 3). Соли этих кислот получили названия мета-, двумета-, орто- и пиросиликатов соответственно. Для простых силикатов такие названия общеприняты и в настоящее время. Невозможность выделения кремниевых кислот в чистом виде из-за их коллоидного характера оставляла открытым вопрос о солеобразной природе силикатов. Более того, многообразие силикатов не укладывалось в рамки этой теории. Например, минералы жадеит NaAISi₂O₆  и лейцита KAISi₂O₆   относятся, казалось бы, к солям метакремниевой кислоты, но по своим свойствам сильно отличаются друг от друга. В приведенном случае поликремневая теория не смогла дать ответ о связи между химическим составом силикатных соединений и их строением, что является основной задачей любой систематики. Однако при формировании поликремневой теории была высказана гениальная догадка о полимерном строении силикатов за счет связей атомов кремния с атомами кислорода.

В своих трудах, посвященных природе силикатов, Д.И. Менделеев указывал на противоречия поликремневой теории.  Д.И. Менделеев отмечал, что нельзя объяснить все многообразие силикатов только существованием полимерных форм кремниевых кислот. По его мнению, силикаты представляют собой не соли, а «неопределенные соединения», такие, например, как сплавы, но не простых тел, а близких по своим свойствам оксидов. Д.И. Менделеев объяснял особенности силикатных «неопределенных соединений» не существованием различных видов поликремневых кислот, а полимеризацией большинства соединений кремния. Учение Д.И. Менделеева сыграло большую роль в дальнейшем понимании природы силикатов. В конце XIX века химические методы исследования (аналитические и синтетические) исчерпали свои возможности в познании силикатов. Исследователи начали искать новые пути решения проблем силикатов. Наиболее значительные результаты были достигнуты в физико-химическом и геохимическом направлениях.

Видным представителем геохимического направления является В.И. Вернадский. Он создал свою теорию строения алюмосиликатов (1891–1937 годы). В.И. Вернадский так же, как и Д.И. Менделеев, говорил о близости химических функций SiO₂ и AI₂O₃ и отвергал мысль о том, что алюмосиликаты есть соли кремниевых кислот. По его мнению, алюмосиликаты являются производными сложных алюмосиликатных радикалов, «каолиновых ядер». Гипотеза о «каолиновом ядре» как о замкнутой группировке атомов Si, Al и O оказалась актуальной при расшифровке структуры полевых шпатов.

Важной ступенью в расшифровке строения кристаллов, в том числе природных и искусственных силикатов и алюмосиликатов явилось открытие дифракции рентгеновских лучей, пропускаемых через кристалл (1912г., Лауэ). Это позволило с большей точностью определять эферективные радиусы атомов (и ионов) и расстояния между ними. На основе рентгеноструктурных исследований сформировалось кристаллографическое направление в минералогии, которое позволило определить кристаллическое строение минералов, создать на этой основе их кристаллохимическую классификацию.  

Силикаты и алюмосиликаты очень сложны по своему строению, так как они относятся к типичным гетеродесмичным соединениям, в которых реализуются одновременно различные типы химической связи-ионная, ковалентная, ионно-ковалентная, координационная, водородная и др. многоцентровые связи. С 1950 в рентгеноструктурных исследованиях преим. школы Н.В. Белова были расшифрованы мн. кристаллич. Структуры cиликатов с крупными катионами Na, К, Са, Ва, редкоземельными элементами и др.  Основой строения силикатов и алюмосиликатов является правильный тетраэдр [SiO₄].

                          

Рис. 1. Элементарный правильный кремне-кислородный тетраэдр SiO₄^4-

Полимеризация  этих тетраэдров приводит к образованию диорто-анионов [Si₂O₇]^6-, триорто-анионов [Si₃O₉]^8-

     Рис. 3. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO₄, б-Si₂O₇, в-Si₃O₉, г-Si₄О₁₂, д-Si₆O₁₈.

             

 

Рис. 2. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-[SiO₄]^4-, б-[Si₂O₇]^6-, в-[Si₃O₉]^8-, г-[Si₄О₁₂]^10-, д-[Si₆O₁₈]^12-.

 

Для кристаллохимии силикатов по Белову определяющим критерием конструирования или формирования типа кристаллической структуры силикатов «приспособляемости» кремнекислородных анионных группировок к существенно более крупным полиэдрам (многогранным) катионам. При классификации силикатов выделяют элементарное звено, участвующее в построении кремнекислородного анионного каркаса, – орто-, диорто- и триортогруппы. Силикаты могут быть подразделены на два класса: соединения с конечными размерами кремнекислородных группировок (островные структуры) и с бесконечными повторениями кремнекислородных тетраэдров при самых различных способах их сочленения (полимерные, или конденсирующие структуры). Причем анионный остов кристаллической решетки, наряду с кремнекислородными анионами, может включать и дополнительные анионы-О^2-, ОН^-, Cl^-, F^-, СО₃^2-,SO₂^2- и некоторые др.

Островные силикаты делятся на соединения с одиночными кремнекислородными тетраэдрами – ортосиликаты (рис. 2, а) и со сдвоенными тетраэдрами – диортосиликаты (рис. 2, б). К таким силикатам относятся оливины (MgFe)₂SiO₄, циркон ZrSiO₄, гранаты , где М^II = Mg, Ca, Fe(II), Mn(II), М^III = Al, Fe(III), Сr(III), V(III) и др.

Среди природных и искусственных силикатов  широко распространены соединения с циклическими (замкнутыми) кремнекислородными группировками из трех-, четырех-, шестизвенных (рис. 2, в, г, д) и более сложных (восьми-, девяти-, двенадцатичленных) колец. Например в берилле Ве₃ Al₂Si₆O₁₈ реализуется шестичленный кольцевой анион (рис. 2, д) с двумя мостиковыми Si‑О–Si связями, приходящимися на каждый тетраэдр, как и в др. циклически анионах.

Известны кристаллические структуры островных силикатов со сдвоенными, конденсированными «двухэтажными» трех-, четырех-и шестизвенными кольцевыми анионами. В «двухэтажных» циклических кремнекислородных группировках число мостиковых связей на каждый тетраэдр повышается соотв. до трех. Для мн. сложных по составу островных С. характерно сочетание в анионном остове одновременно неск. разл. кремнекислородных группировок, чаще всего орто- и диортогрупп.

Класс полимерных, или конденсированных, силикатов подразделяют на 4 подкласса. 1) Цепочечные силикаты с бесконечными цепочками из одиночных кремнекислородных тетраэдров, каждый из которых с соседними имеет по две мостиковые связи. Данный структурный тип метасиликатов охватывает большую группу породообразующих минералов и их синтетических аналогов.

Рис. 3. Многообразие типов кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по Белову).

2) Силикаты с ленточными кремнекислородными анионами из двух-, трех- и n‑рядных цепочек, сконденсированных между собой по боковым связям перпендикулярно цепочке (рис. 4). В природе наиболее распространены в данном подклассе веществ амфиболовые и амфиболоподобные асбесты – волокнистые силикаты с двухрядными ленточными анионами.

    

Рис. 4. Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в ленточные двухрядные амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им анионы (в).

 

3) Силикаты с двухмерными слоистыми или листовыми анионами характеризуются широким разнообразием возможных сочленений кремнекислородных тетраэдров в правильные или же в низкосимметричные шести-, четырех- и восьмичленные кольца с тетрагон. и ромбич. симметрией слоя, восьми-, шести- и четырехчленные кольца, воедино связанные в слоистом анионе, и т.д. (рис. 4, в, 6, б). К ним относятся минералы группы слюд (мусковит KAI[AISi₃O₁₀](OH)], биотит K(MgFe^II)₃[AISi₃O₁₀)(OH)₂], тальк, пирофиллит и др.), глинистых Mg₃[(Si₄O₁₀)(OH)₂] минералов[каолинита Al₄(Si₄O₁₀) (OH)₈ и др.]. Строение слоистых силикатов предопределяет их отчетливую спайность по базальной плоскости (параллельно слоям), наиб. отчетливо проявляющуюся в слюдах (рис. 5).

 

Рис. 5. Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллич. Структуры слюды мусковита KAl₂[(AlSi₃O₁₀(OH)₂], иллюстрирующий переслаивание алюмокремний-кислородных сеток с полиэдрич. слоями крупных катионов Аl³⁺ и К⁺.

 

4) К силикатам каркасного строения (трехмерным) относятся многочисл. группы алюмосиликатов (в меньшей степени – боросиликаты), каркас которых образован четырьмя мостиковыми связями и имеет общую формулу (Al_mSi_n__mO_2n)^m- . Среди каркасных алюмосиликатов более всего в природе распространены щелочные полевошпатовые С.: твердые р-ры альбита NaAlSi₃O₈ и ортоклаза KAlSi₃O₈, а также альбита и анортита CaAl₂Si₂O₈, известные под назв. плагиоклазов. Каркасные С. цеолиты характеризуются большими внутр. полостями и входными окнами, в к-рых могут абсорбироваться крупные молекулы диаметром 0,3–0,5 нм и более (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Проекция фрагмента пористой кристаллической структуры цеолита фошазита (фожазита) с широкими входными каналами эллиптического сечения.

 

Как же образуются силикаты и алюмосиликаты в природе?

За счет внутренней энергии Земли магма – расплав, состоящий из основных пород (ортосиликаты магния и железа и их твердые растворы), поднимаясь по трещинам на поверхность, обогащается кремнеземом, глиноземом, водой. При этом с понижением температуры из него кристаллизуются сначала тугоплавкие минералы, а оставшийся расплав снова взаимодействует с встречающимися на его пути породами, образующиеся кристаллы взаимодействуют с гидротермальными водами. Из образовавшихся растворов выкристаллизовываются минералы, содержащие воду. Безусловно, это очень упрощенная картина сложных геохимических процессов, происходящих в действительности. К основным минералам относятся оливины – ортосиликат магнияMg₂SiO, в котором часть катионов магния может быть замещена на Fe.Поэтому для оливинов принимается общая формула [Mg,Fe] ₂ [SiO₄], а их структура образована изолированными тетраэдрами соединенными между собой катионами. При увеличении содержания SiO2 образуются пироксены – метасиликаты натрия, магния, кальция, железа, содержащие бесконечные метасиликатные цепочки (SiO₃). В зависимости от природы катиона найдены различные виды изолированных и более сложных цепочек. Минерал жадеит NaAl[Si2O6],  также относится к группе пироксенов, то есть к минералам с цепочечной структурой. Ионы натрия и алюминия образуют катионную составляющую структуры.

Следующей ступенью полимеризации являются соединения, содержащие ленточные кремнекислородные радикалы. К ленточным силикатам относятся амфиболы – гидросиликаты Ca, Mg, Fe, содержащие группы [Si4O11] ^6-. К амфиболам относится и один из древнейших минералов, используемых человеком, – нефрит – Ca2(Mg, Fe) [Si4O11] (OH) 2, и асбесты.

Дальнейшая конденсация приводит к образованию слоистых силикатов. Так например, в слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Слоистых силикатов существует множество: слои могут быть построены из пяти- и шестичленных колец (см. рис. 1); состоять из чередующихся в определенном отношении восьми- и пятичленных колец; могут существовать слои, в которых кремнекислородный тетраэдр необязательно имеет три мостиковых атома кислорода, и др. И наконец, последней ступенью полимеризации являются силикаты с каркасным строением, которых тоже существует великое множество. Примером каркасных силикатов могут служить кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты результате процессов химического выветривания превращаются в глины и различные виды кремнезема:

2K[AlSi3O6] + CO2 +2H2O = AI₂O₃.2SiO₂.2H₂O+ K2CO3 + 4SiO2

Каолинт

Каолинит – минерал со слоистой структурой. Слои состоят из шестичленных кремнекислородных колец. В конечном итоге процессы выветривания полевых шпатов, слюд, талька, нефелина приводят к образованию растворимых солей щелочных и щелочноземельных металлов, плохо растворимых гидратов оксидов железа и алюминия и гидросиликатов, которые переносятся водными растворами и дают начало образованию новых минералов, с которых как бы начинается новый виток образования силикатных минералов.

Таким образом в результате этого процесса образуются залежи глины и песка. На их основе в результате биохимических процессов разложения растительных и животных организмов образуется почва.

2.4 Биологическая роль кремния

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Именно с этим связаны огромные залежи инфузорной Земли, образовавшиеся в результате отмирания этих организмов []. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства бамбуков и рисовидных, в том числе — рис посевной.

В справочнике по химии для школьников 9 класса (изд. Минск: "Слово", 1977 г.) в разделе "Кремний" сообщается: что "...кремний - исключительно важный полупроводниковый материал, используемый для изготовления микроэлектронных устройств - "микросхем". Он используется в производстве солнечных батарей, превращает солнечную энергию в электрическую. Среди 104 элементов периодической системы у кремния особая роль. Он - пьезоэлемент. Он может превращать один вид энергии в другой: механическую в электрическую, световую в тепловую и др.".

Именно кремний лежит в основе энергоинформационного обмена в космосе и на Земле. Из таблицы химического состава Земли, ее "Живого Вещества" и космических систем - звезд, Солнца видно, что самым распространенным элементом в этом мире является кислород , второе место занимает кремний  а содержание остальных элементов - значительно меньше. Сколько же кремния должно быть в теле человека? По данным спектрального анализа: в ежедневных продуктах, выделенных здоровым организмом человека, содержание кремния - 4,7 %. В организме человека кремний восьмикратно участвует в процессах жизнеобеспечения. Следовательно, скрытый процент участия кремния в процессах жизнеобеспечения 4,7х8-38 %. При недостатке кремния в организме человека нарушается баланс обмена веществ, т. к. более 70 других элементов просто не усваиваются. Дефицит кремния в организме – одна из причин патологического изменения сосудов, инсульта, инфаркта, дисбактериоза, гепатита, ревматизма, полиартрита и других заболеваний.[].

Таким образом следует признать справедливым высказывание русского ученого В.И.Вернадского: «Никакой организм не может существовать без кремния….».

                       Практическая часть.

Глава III. Использование внеклассной работы учащихся  при изучении соединений кремния на основе интеграции химии с географией

     Содержание предыдущей главы показывает  огромную роль соединений кремния в формировании Земной коры, ее современном химическом составе,  значение природных и искусственно полученных силикатов в жизни человеческого общества. В то же время на изучение кремния и его соединений в курсе химии средней школы отводится всего 1 урок в III четверти 9 класса. Этого, конечно, очень мало, следствием  чего является плохое знание темы. В курсе географии учащиеся знакомились с некоторыми минералами и горными породами, в состав которых входит элемент кремний. Но до изучения химии не было возможности говорить о химическом составе этих минералов, о конкретных химических соединениях кремния в природе.

     Мы поставили цель практически проверить, что же знают школьники и выпускники школ о соединениях кремния, об их роли в природе.  Для этого нами была составлена анкета, и проведено анкетирование.

1 вопрос. Приведите названия и формулы известных Вам соединений каждого из приведенных элементов:  сера, фосфор, кремний, железо. 2 вопрос. Какие из соединений указанных элементов встречаются в природе, где применяются? 3 вопрос. Назовите 2-3 наиболее распространенных элемента в природе. 4 вопрос. В состав каких минералов и горных пород входит кремний? 5 вопрос. Какие драгоценные и полудрагоценные камни Вы знаете? Если можете , приведите их химический состав (формулу). 6 вопрос. Какие минералы и горные породы используют скульпторы, строители? Каков их химический состав?

                                                Анкета №1

1 вопрос.  Приведите названия и формулы известных Вам соединений каждого из приведенных элементов:  сера, фосфор, кремний, железо.

2 вопрос. Какие из соединений указанных элементов встречаются в природе, где применяются?

3 вопрос. Назовите 2-3 наиболее распространенных элемента в природе.

4 вопрос. В состав ,каких минералов и горных пород входит кремний?

5 вопрос. Какие драгоценные и полудрагоценные камни Вы знаете? Если можете , приведите их химический состав (формулу).

 

 

 

В анкетировании участвовало 44 человека: учащиеся 9 класса московской школы и учащиеся 9 класса сельской школы.

 Анкетирование в московской и сельской школах проводилось в 4 четверти, т.е. после изучения школьниками химии элементов, в том числе после темы «Кремний и его соединении».  Анкетирование показало, что нет существенных различий в ответах учащихся сельской и московской школ, поэтому приводим общий анализ.

 Проанализируем полученные результаты детально:

1 вопрос.  Приведите названия и формулы известных Вам соединений каждого из приведенных элементов:  сера, фосфор, кремний, железо.

А. 14 человек (32% от общего числа опрошенных)  – не дали ответа на вопрос.

Б. 13 человек (29% от числа опрошенных) – привели только химические знаки элементов, но не формулы их соединений.

В. 5 человек (11% от числа опрошенных) – привели формулы соединений серы (H₂SO₄, H₂S), соединений фосфора(H₃PO₄,P₂O₅), железа (FeSO_4,, FeO, Fe(OH)₂ , FeCI₂ , FeCI₃), а для элемента кремния формулы не существующих соединений (SiSO₄, SiO₃).

Г.12 человек (28% от числа опрошенных ) – привели формулы  соединений всех предложенных элементов кроме кремния, и только 3 человека привели по одной правильно написанной формуле соединения кремния (H₂SiO₃). Не было ни одной анкеты, в которой приводилась бы формула SiO₂

Представим полученные результаты более наглядно в виде диаграммы

 

2 вопрос. Какие из соединений указанных элементов встречаются в природе, где применяются?

А.13 человек (29% от числа опрошенных) – не дали  никакого ответа.

Б.18 человек (41% от числа опрошенных) – написали только о железе, что оно «применяется на заводах, в строительстве, в металлургии», но не привели примеров природных соединений железа.

В. 7 человек (16% от числа опрошенных) – дали ответ «кремний», без всяких пояснений, уточнений и формул соединений этого элемента.

Г. 6 человек (14% от числа опрошенных) – написали «все встречаются». Но никаких конкретных соединений не назвали.

Представим полученные результаты более наглядно в виде диаграммы

 

3 вопрос. Назовите 2-3 наиболее распространенных элемента в природе.

       Как и при ответе на 1 вопрос практически все не умеют разграничивать понятия «элемент» и «вещество». Вместо элементов многие приводят формулы веществ, даже сложных : H₂O, O₂, N₂ и т.д. Называют часто то , с чем сталкиваются в жизни или слышат на уроках,  в СМИ, например: медь, железо, золото, нефть, воздух. Только 2 человека написали  - кремний (а это лишь 9% от числа опрошенных).  И 15 человек(68% от числа опрошенных)- написали кислород(O, а некоторые O₂).

4 вопрос. В состав каких минералов и горных пород входит кремний?

На этот вопрос большинство учащихся (88%) не смогли ответить. И только 5 человек написали песок.

5 вопрос. Какие драгоценные и полудрагоценные камни Вы знаете? Если можете приведите их химический состав (формулу).

На этот вопрос ответ дали все. Большинство называли алмаз (некоторые бриллиант), сапфир, рубин, изумруд, платину, золото, серебро.  В 2-х анкетах написали «кремний», но не привели ни одной формулы.

6 вопрос.  Какие минералы и горные породы используют скульпторы, строители? Каков их химический состав?

На этот вопрос ответили все. Называли гранит, мрамор, цемент, известняк, »камень», бетон, алебастр, но не указывали состав. Кроме этого не все приведенные материалы являются природными.

Подведем общий итог анкетирования девятиклассников:

1. Более 75% опрошенных не владеют понятиями "Элемент" и "Вещество", не различают их; не могут привести формул соединений, соответствующих предложенным элементам.
2. Более 90%  анкетируемых не могут назвать ни одного соединения кремния и привести  формулу этого соединения. Большинство опрошенных не знает о высоком содержании кремния в Земной коре и роли его соединений в природе.

      Конечно, мы понимаем, что большая часть школьников не собирается связывать свою дальнейшую профессиональную деятельность с химией, не всех интересует этот предмет. Для сравнения мы решили провести анкетирование также среди студентов биолого-химического факультета МПГУ, для которых науки о природе, в том числе и химия, география должны быть интересны. Проводилось анкетирование в 1 семестре 1 года обучения, участвовало 22 человека отделения «биология с дополнительной специальностью химия» и «бакалавры-биологи».

Приводим полученные результаты:

1 вопрос.  Приведите названия и формулы известных Вам соединений каждого из приведенных элементов:  сера, фосфор, кремний, железо.

А. 2 человека (9% от числа опрошенных) – не дали ответа на вопрос.

Б. 4 человека (18% от числа опрошенных) – привели только химические знаки элементов, но не формулы их соединений.

В.16 человек (72% от числа опрошенных) – привели формулы соединений серы (H₂SO₄, H₂S), соединений фосфора (H₃PO₄, P₂O₅,) железа (FeSO_4,FeO,Fe(OH)_2,FeCI_2,FeCI₃), кремния(H₂SiO₃,SiO₂), даже некоторые  комплексные соединения.

Представим полученные результаты более наглядно в виде диаграммы

2 вопрос. Какие из соединений указанных элементов встречаются в природе, где применяются?

      На этот  вопрос ответили почти все. Не дали ответа только 2 человека.  Однако приведенные ответы касались только применения соединений данных элементов, а не их природных соединения. Студенты  написали в основном о применении веществ, например, «железо применяется на заводах, в строительстве, в металлургии», но не привели примеров природных соединений железа. Также написали, что железный колчедан используется в производстве серной кислоты. «Фосфор применяется в сельском хозяйстве в качестве удобрений, содержащийся в природе песок - SiO₂ применяется для изготовления стекла. Сера используется для приготовления взрывчатых веществ, и в медицине». Но природных соединений железа, серы, кремния не привели.

3 вопрос. Назовите 2-3 наиболее распространенных элемента в природе.

Как выяснилось, это единственный вопрос, на который ответили все правильно, назвав кислород, кремний, алюминий. Однако многие привели формулу  O_2,  хотя вопрос касался элемента кислорода, а не вещества.

4 вопрос. В состав, каких минералов и горных пород входит кремний?

На этот вопрос почти все дали ответ - песок. И лишь 5 человек написали, помимо песка еще кварц, горный хрусталь. Был также назван цемент, хотя это не природное соединение.

5 вопрос. Какие драгоценные и полудрагоценные камни Вы знаете? Если можете , приведите их химический состав (формулу).

На этот вопрос ответ дали все. Большинство называли алмаз (некоторые бриллиант), сапфир, рубин, изумруд, платину, золото, серебро.  Но при этом никто не привел химических формул.

6 вопрос.  Какие минералы и горные породы используют скульпторы, строители? Каков их химический состав.

На этот вопрос ответили все. Называли гранит, мрамор, цемент, известняк, »камень», алебастр, но не указывали их химический состав.  Некоторые называли цемент, бетон, хотя это не минералы и не горные породы, а материалы, полученные в технике.

Проанализировав ответы всех опрошенных учащихся и студентов на  вопросы анкеты, можно сделать следующие выводы:

    Большинство опрошенных,  как школьников, так и студентов не владеют понятиями »химический элемент», «химическое вещество», смешивают их. Плохо знают распространенность элементов , природные соединения, конкретные минералы и горные породы, в состав которых входят соединения, образованные этими элементами. Немного лучше были ответы студентов 1 курса. Но это не удивительно, ведь анкетирование у них проводилось в середине семестра. И многие знания они приобрели уже в стенах университета.

Наименее известными для учащихся оказались соединения кремния, несмотря на то, что кремний занимает второе по распространенности (после кислорода) место в Земной коре. А соединения этих 2-х элементов (SiO₂ и многочисленные силикаты) - основа литосферы. Кроме того искусственно полученные силикаты (стекло, цемент, бетон), играют огромную роль в человеческом обществе. Поэтому очень важно, чтобы школьники имели представление о Si и его соединениях. Как мы видим, результаты анкетирования оказались  неутешительными. Незнание всего этого можно объяснить ничтожно малым временем, отводящимся в школе на изучение кремния и его соединений  (1 час в неделю). Для того чтобы как -то улучшить ситуацию, необходимо использовать внеурочную работу,  проектную деятельность  школьников и т.д. При этом следует интегрировать знания учащихся, полученные ими на уроках химии и географии.

Выход из сложившейся ситуации мы видим во внеклассной работе. Но все мы знаем, что дети сейчас не всегда  хотят ходить даже на уроки, не говоря уже о внеклассных дополнительных занятиях. И для того, что бы все-таки привлечь к такой работе, их надо заинтересовать. Для этого мы сделали следующее.

      До изучения темы «Кремний и его соединения» в 9 классе средней школе № 96 ЦАО г. Москвы мы провели внеклассное мероприятие с химическим экспериментом «Получение силикатных садов».  Класс разделили на 4 группы. Каждой группе раздали таблицы растворимости, периодические системы Д.И.Менделеева, у каждой группы на столах также стояли необходимые реактивы для проведения опытов (силикатный клей, дистиллированная вода, баночки с предложенными солями металлов ) и необходимая химическая посуда. Поскольку ребятам был еще не известен элемент кремний и его соединения, до начала проведения опыта  мы немного ознакомили их с этим элементом: с его положением в Периодической Системой элементов, историей открытия, содержанием  в Земной коре и некоторыми соединениями и минералами, в состав которых он входит. Помимо этого были актуализированы знания девятиклассников об ионно-обменных реакциях, в частности реакциях между солями с образованием осадков. Пользуясь таблицей растворимости учащиеся убедились, что большинство солей кремниевой кислоты (силикатов) практически не растворимы в воде.

Далее непосредственно приступили к самому опыту. Когда ребята увидели у себя на столах обыкновенный силикатный клей, у них сразу возник вопрос, для чего он нужен. А после того, как они узнали , что в нем тоже содержится элемент кремний, а конкретно соль кремниевой кислоты- Na₂SiO₃ и какие интересные опыты можно проделать с помощью этого клея, в их глазах появился интерес. С большим удовольствием ребята приступили к выполнению опыта. Перед проведением опыта показывалось видео, где наглядно показано, как будет протекать данный опыт, но по реакции детей было видно, что не особо они этому верят. Но когда они сами, своими руками, проделали эти опыты, и оказалось, что все происходило в точности  как на экране, их восторг был неописуем. Столько радости, удивления от простого опыта я не видела и не предполагала увидеть.

Методика проведения опыта:

В химический стакан налили силикатный клей (можно приобрести в хозяйственном магазине или магазине стройматериалов жидкое стекло – водный раствор силиката натрия, который используется для получения этого клея) и дистиллированную воду в соотношении 1:1. В стакан осторожно, небольшими порциями насыпали кристаллики солей разной окраски. Можно взять соли кальция, никеля, меди, кобальта, железа, бария, цинка, хрома и марганца. Через 15–20 минут в стакане появляются «заросли», напоминающие деревья или водоросли. Это образовались осадки силикатов, например:

 

CaCl₂ + Na₂SiO₃ =CaSiO_3↓ + 2NaCl.

 

Некоторые из добавленных солей вступают в реакцию совместного гидролиза с Na₂SiO₃. Тогда образуются кремниевая кислота и гидроксид металла  (или его основная соль):

 

 2FeCl₃ + 3Na₂SiO₃ + 6H₂O =2Fe(OH)₃↓+ 3H₂SiO₃↓+ 6NaCl.

 

 Из кристалла опущенной соли вытягивается тоненькая полая трубочка, стенки которой состоят из образующегося осадка. Трубочка представляет собой полупроницаемую мембрану, через которую вода проникает во внутрь. Наблюдается осмос – одностороннее перемещение вещества через полупроницаемую мембрану. В результате этого в некоторых местах трубочка рвется. Вновь образуется осадок.

Этот опыт не требовал специальных знаний по теме «Кремний и его соединения», он опирался на тему « Ионно-обменные реакции между солями».

 

                     

                         Схема образования «силикатных садов»

 

       На мой взгляд поставленная цель (заинтересовать детей) была достигнута. Им очень понравилось такое занятие, они даже немного по-другому стали относиться к химии. Многие ребята подходили и говорили: « оказывается химия это не такой уж сложный и мало интересный предмет».

     Следующим этапом в нашей работе был уже непосредственно сам урок по теме: « Кремний и его соединения». К этому моменту ребята уже немного владели материалом по данной теме. Благодаря предварительно проведенному внеклассному занятию дети с интересом отнеслись к содержанию урока , при изучении материала опирались на ранее полученные сведения, которые приводились в ходе внеклассной работы.

    Для проведения урока была использована лекционная форма подачи материала, с использованием презентации. В начале урока проводилась актуализация знаний школьников об элементе этой же подгруппы углероде, изучавшемся ранее.   Это позволило провести сравнение свойств  элементов C и Si, их оксидов CO₂  и SiO₂ (их строения и вытекающих из него свойств).    Особое внимание было уделено распространению  Si, его важнейшим природным соединениям, а также биологической роли.

Красочной иллюстрацией к  объяснению материала служили слайды презентации, в частности фотографии минералов. Красота этих минералов помогла создать оптимальный эмоциональный фон к проведению урока.

      И все же 1 урока не достаточно для того чтобы более подробно ознакомить учащихся с многообразием природных соединений кремния, их значением в жизни человека. Поэтому мы решили провести еще одно внеклассное мероприятие с использованием самостоятельной работы школьников.

Новый стандарт образования нацеливает учащихся на овладение  универсальными учебными действиями (УУД), которые выступают как «способность к саморазвитию и самосовершенствованию путем сознательного  и активного присвоения нового социального опыта. УУД создают возможность самостоятельного успешного усвоения новых знаний, умений и компетентностей, включая организацию усвоения, т. е. умение учиться»[   ].

Исходя из этого и опираясь на интерес, вызванный содержанием урока, мы предложили учащимся подготовить к следующему внеклассному мероприятию рефераты и доклады с презентациями на предложенные темы,  связанные с природными соединениями кремния.  Девятиклассники с воодушевлением отнеслись к предложению и выбрали следующие темы: «Оникс», «Розовый кварц»,  «Аметист», «Многообразие драгоценных камней»,  «Поделочные камни», «Кварцит»,  «Горный хрусталь»,  «Камень и прошлое человека», «Многообразие силикатов в природе».  В каждой из этих тем химические знания интегрировались со знаниями полученными при изучении географии.

Через 3 недели был проведен внеклассное занятие на тему «Кремний – царь неживой природы». На нем были заслушаны отобранные из числа написанных рефератов сообщения девятиклассников: «Камень и прошлое человека», «Аметист», «Горный хрусталь».

Докладчики проявили интерес к заданиям, нашли в интернете убедительный материал по избранным темам, подкрепленный эффектными презентациями. Недостатком можно считать тот факт, что у большинства докладчиков недостаточно развита речь, поэтому большую часть сообщений они зачитывали по своим конспектам или по текстам слайдов. Некоторые перенасыщали слайд текстом или обилием картинок, что затрудняло восприятие. Тем не менее, проведенная ими работа принесла  пользу им самим и слушателям (классу). Некоторые из тем были выбраны двумя-тремя учащимися. Это позволило организовать более успешное обсуждение некоторых тем («докладчики» и «содокладчики»).  Тексты некоторых докладов приведены в «Приложении».

Наблюдая за учащимися, мы убедились, что  включение химического материала, интегрированного с географией во внеклассную работу как до проведения соответствующего урока, так и после него, позволили учителю заинтересовать учащихся и помочь им нагляднее представить многообразие и красоту многих природных соединений кремния.

С целью более объективного вывода об эффективности использованной методики мы провели повторное анкетирование, через 2,5 месяца после последнего внеклассного занятия.

                                              Анкета № 2

1. Какие соединения кремния Вам известны  (приведите их формулы) 2.Какое место по распространенности в природе занимает кремний? 3. В  состав, каких минералов и горных пород входит кремний? 4.Где применяются природные и искусственно полученные соединения кремния? 5.Какое впечатление произвело на Вас внеклассное занятие по теме : «Соединения кремния»?  Хотите ли бы Вы в дальнейшем подробнее познакомиться с природными соединения кремния и других элементов? 6. В чем, по вашему мнению, заключается связь химии с географией?

 

Что же показало анкетирование? Проанализируем ответы на каждый вопрос.

 

I и II вопрос. В отличии от (предварительного) анкетирования все ответили верно на вопрос о распространенности Si в природе («второе место»). Все привели в качестве примера соединения кремния SiO₂, многие написали, что это песок; 4 человека указали также искусственно полученные материалы – стекло, цемент.

III вопрос. Большинство (87%) правильно называли в качестве важнейшего минерала кремния – кварц (указывали также его разновидности – горный хрусталь, аметист, агаты, яшму и тд.). Некоторые ( 15%) написали формулу белой глины и полевого шпата.

IV вопрос. На этот вопрос большинство дали подробные ответы.

V вопрос. Все высоко оценили внеклассные занятия, посвещенные соединениям кремния, причем особое впечатление на них произвел химический эксперимент по выращиванию силикатных садов. Некоторые ответы были очень эмоциональными, например: «я была в восторге, замечательно!».

«Такого чуда я еще не видел супер! Оказывается химия – интересная штука! Побольше бы таких занятий про все».

«Все было интересно и познавательно. С удовольствием посетил бы занятие еще раз».

VI вопрос. В своих ответах практически все учащиеся признают связь химии с географией и только в одной анкете прозвучало что «никакой связи не вижу». Некоторые ответы были сформулированы по – детски, наивно, например: «Эти две науки взаимосвязаны. Они переплетаются в своем развитии. Существует также такая наука, как геохимия».

«География рассказывает ,где распространенны элементы, а химия – из чего состоят».

Но были также и интересные ответы:

« Связь химии с географией – безусловна! Все минералы и горные породы изучаются на уроках географии, а их строение и свойства – на уроках химии. Было бы очень удивительно, если бы при изучении данных тем объединить эти уроки».

Таким образом, анализ второго анкетирования убедил нас в том, что использованная нами методика (внеклассные занятия с химическим экспериментом, а также доклады и презентации по природным соединениям кремния) позволили повысь познавательный интерес школьников. Сильное эмоциональное воздействие на учащихся оказал химический эксперимент. Презентации в ходе урока и внеклассного занятия позволили интегрировать важнейшие химические понятия «Химический элемент», «Химические соединения» с понятиями географическими «Минерал», «Горная порода».Красота минералов, а также необычного химического эксперимента способствовали эстетическому воспитанию школьников, создали положительный эмоциональный фон в процессе изучения элемента Кремния и его соединений.

                                         

                                           Выводы:

 

1.На основе анкетирования установлен низкий уровень знания девятиклассников московской и сельской школы, а также студентов I курса биолого-химического факультета МПГУ о распространенности кремния в природе, о формах нахождения этого элемента в Земной коре.

2.На основе анализа литературы разработаны  и проведены: урок и два внеклассных занятия по теме: «Кремний и его соединения», на основе интеграции химических и географических знаний.

3.Установлена (на основе повторного анкетирования учащихся, бесед с ними, наблюдений в процессе занятия) эффективность разработанной методики. Это проявилось в повышении познавательного интереса школьников к изучению соединений химических элементов, в том числе природных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  Список используемой литературы

1. Бабанский Ю.К. Педагогика. М.: «Просвещение».1988.

2. Байкова В.М., Шульгин В.Н. Примерный химический анализ для определения минералов//Химия в школе.1962. №4.-с. 3-14.

3. Боровских Т.А. Интегральная технология в обучении химии//Химия в школе. 2010. №3.-с.9-10.

4. Буйнова С.В.,Черкашина Н.Б. Интегрированный модульный урок химии и географии//Химия в школе.2007. №5

5. Бурая И.В., Аранская О.С. Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности//Химия в школе. 2001.№10.- с.23-32.

6. Волкова С.А., Гусев С.Н. Изучение кристаллогидратов//Химия в школе.2009.№3.-с.44-45.

7. Гоголевская Н.И., Кузнецова Л.В., Супоницкая И.И., Петросова Р.А., Теремов А.В. Использование интегрированных модулей в учебном процессе. в сб. « Развитие инновационных процессов в общеобразовательных учреждениях»//М.:2006- с.54-57.

8. Добровольский В.В. Химия Земли. М.:»Просвещение».1988.

9. Ерыгин Д.П., Дьякова М.Б., Петросова Р.А. Содержание и методы осуществления межпредметных связей в курсе химии. М.: изд. МГПИ им. В.И.Ленина. 1985.

10. Ерыкалова Н.А. Как мы изучаем силикатную промышленность//Химия в школе.2008. №2.-с.22-25.

11. Заграничная Н.А., Иванова Р.Г. Современные подходы к обучению химии//Химия в школе.2009. №8.

12. Зверева Г.Н. Программа интегративного курса «Биосфера и человек»//Химия в школе.1995. №3.-с.44-47.

13.Козлова В.В., Кондакова А.М. Стандарты второго поколения. Фундаментальное ядро содержания общего образования. М.: Просвещение.2010.-с.47-53

14. Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Статья «Основы геологии»//МГУ геологический факультет. 2009.

15. Кролевец А.А. Кремний- элемент здоровья и молодости//Химия в школе.2010.№2.-с.6-9.

16. Крылова Н.В. Интеграция как важная составляющая учебного процесса//1997. №1.-С.3-7.

17. Лебединский В.И. В удивительном мире камня. Изд. 3-е, перераб. И доп.- М.: Недра. 1985.- 224с., ил.

18. Леенсон И.А.Занимательная химия.Ч.2.М.:Дрофа.1996.

19. Лисичкин Г.В., Леенсон И.А. Содержание школьного курса химии: Новый взгляд на старую проблему//Химия в школе.2006.№4.-с.19-20.

20. Лисичкин Г.В., Минченков Е.Е. Концепция  школьного химического образования//Химия в школе.1993.№6.- с.3-7.

21.Лунин В.В. Концепция образовательной области «Естествознание» в двенадцатилетней школе//Химия в щколе.2002.№2.-с.2-7.

22.Лунин В.В., Архангельская О.в., Берданосов С.С., Каверина А.А., Суматохин С.В., Чернобельская Г.М. Концепция химического образования 12-летней школы//Химия в школе.2000.№3.-с.8-12.

23. Макареня А.А., Кривых С.В., Ишкова А.В. От химического образования 12-летней школы//Химия в школе.2000. №7.-с.2-6.

24.Минченков Е.Е.Экономическое образование учащихся при реализации межпредметных связей химии с географией//Химия в школе.1982.№1.-с.26.

25.Павлинова Н.В. Наука о камне: история развития и связь с химией//Химия в школе.1994.№1.-с.45-49.

26. Пинская Е.Н. Вопросы геохимии на внеклассных занятиях//Химия в школе.1953.№2.-с.63-66.

27.Титова И.М. Спецкурс «Химия и искусство»//Химия в школе. №4.2007.

28. Чернобльская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. М.:»Владос». 2000.

29. Шилов В.И. Использование минералов при формировании химических понятий//Химия в школе. 2006. №3.-с.32-34.

30. Шульц М.М. Статья «Силикаты в природе и практике человека»//Санкт-Петербургский государственный университет.2007.

31. Яковишин А.А. Химические опыты с силикатным клеем//Химия в школе.2009. №8.-с.63-65.

32. http://www.allbest.ru/

33.http://www.catalogmineralov.ru