Интегрированные задания по химии с информациями прикладного характера

Значительные изменения приоритетов в школьном образовании в мире за последние годы (переориентация на компетентный подход, непрерывное образование, овладение информационными технологиями, умение сотрудничать и др.) нашли отражение в новой программе международных исследований PISA [1].

Основной упор в исследованиях PISA делается на определение уровня сформированности так называемой естественнонаучной грамотности , под которой понимается «способность учащихся использовать естественно-научные знания для отбора в реальных жизненных ситуациях тех проблем, которые могут быть изучены и решены с помощью научных методов, для получения выводов, основанных на наблюдениях и экспериментах, необходимых для понимания окружающего мира и тех изменений, которые вносит в него деятельность человека, а также для принятия соответствующих решений»[1-8]. Основным направлением в исследованиях PISA в 2006 году будет проверка «естественнонаучной грамотности». В таких исследованиях при определении уровня естественно научной грамотности оцениваются следующие умения учащихся:

1. использовать естественнонаучные знания в жизненных ситуациях;

2. выявлять вопросы, на которые может ответить естествознание;

3. делать выводы на основе полученных данных и т.д.

Предлагаемые учащимся ситуации в заданиях PISA и TIMSS [1-8] связаны с проблемами, которые возникают в быту каждого человека (выбрать продукты при соблюдении диеты), а также в жизни человека как члена общества (например, определить наиболее целесообразное для города место строительства электростанции) или как гражданина мира (например, оценить последствия экологической катастрофы). Ситуации в заданиях группируются вокруг следующих выделенных в исследовании областей наук: «Естествознание, жизнь, здоровье», «Здоровье, болезни и питание», «Наука о Земле и окружающей среде», «Загрязнения», «Образование и разрушение почвы» и т.д.

Анализ усвоения российскими школьниками изученного материала по химии, отраженного в тестах TIMSS[8], показал, что результаты в большей степени зависит от того, в каком контексте формулировано задание, и от формы его представления. Как по химии, так и по другим предметам естественно-научного цикла российские школьники продемонстрировали более высокое знание фактологического материала, умение воспроизводить и применять знания в знакомой ситуации (учебной). И в меньшей степени умение интегрировать эти знания и применять их для объяснения явлений, происходящих в окружающем нас мире.

Подобные задания нашим школьникам практически не предлагаются, поскольку традиционно приоритетным для российского естественнонаучного образования является ориентация на освоение большого объема естественнонаучных знаний, а не на формирование способности применять полученные в школе знания в различных жизненных ситуациях, решать поставленные проблемы научными методами, выдвигать гипотезы. Однако излишняя фундаментальность химии, оторванность учебного материала от жизни, абстрактность вводимых понятий снижают интерес учащихся к познанию науки.

Одна из основных причин неудачи российских учащихся в международном тестировании - неумение работать с информацией [6]: сопоставлять разрозненные фрагменты, соотносить общее содержание с его конкретизацией, целенаправленно искать недостающую информацию. Задачи PISA и задания к ним составлены из текстов разных типов - бытовых, научно-популярных, публицистических и т.д. Опыта работы с такими текстами и навыка получения информации из них у наших школьников нет, поскольку российский школьник чаще всего имеет дело с логически выстроенными, непротиворечивыми, «сглаженными» учебными текстами, из которых исключена «ненужная» информация. Такой текст специальным образом «приспособлен» для ситуации обучения. Тексты научной тематики, включенные в задания PISA [6], представляют собой не специально созданные для учебных целей тексты, а реальные тексты, взятые «из жизни», чаще всего из СМИ. Эти тексты не просто «приближает науку к читателю», т.е. имеют познавательную ценность, они, как правило, связывают научную проблему с жизнью общества, затрагивая, например, экологический, прикладной и другие аспекты научного знания. Такие тексты тянут за собой ситуацию их функционирования: задачи, которые ставятся по отношению к этим текстам, аналогичны реальным задачам, возникающим в жизни, когда человеку приходится иметь дело с подобным текстом.

Решая задачи, наши школьники воспроизводят привычные, стереотипные действиях[1-8]. Они не анализируют самостоятельно описанную ситуацию. Российским школьникам трудны задачи, для которых требуется домыслить или угадать часть информации. Вызывают трудности задания, организованные таким образом, что необходимая дополнительная информация содержится в вопросе. Обучаясь в школе, они привыкают использовать полученные знания в строго определенных ситуациях.

Результаты исследования PISA (2003) [2] еще раз подтвердили, что российские школьники слабо ориентируются в актуальных проблемах естествознания, таких, как экологические проблемы, проблемы здорового образа жизни и др. Эти важные для современного человека проблемы изучаются разрозненно в курсах разных естественнонаучных и обществоведческих предметов, и до сих пор ничего не делается для их интеграции и осмысления. Поэтому очевидна необходимость усиления практической направленности и изучения химии и ее интеграции с другими разделами естествознания.

Нами составлен цикл интегрированных задач по общей химии с медико-биологической направленностью, которые кроме собственно контролирующих вопросов содержит информацию прикладного характера, полезную в жизни, в быту.

При составлении задач использовались материалы из курсов биологии, экологии, валеологии. В основном привлечены материалы [8-13], акцентированные на изучение самой природы человека, на знание физиологических процессов, происходящих в организме. Интегрированные задачи способствуют формированию познавательных мотивов. Вникая в сущность задач, учащиеся вспомнят не только их методику решения, но и еще раз убедятся, насколько тесна связь между знаниями по химии и повседневной жизнью человека, физиологической потребностью организма в тех или иных веществах. Помимо образовательных моментов учащиеся поймут, что знания свойств веществ важно для сохранения здоровья и, что трудно переоценить роль химических реакций в повседневной жизни человека.

Такой подход к составлению контролирующих заданий школьного курса химии способствует пониманию учащимися того, что за каждой формулой стоит конкретное вещество, а за каждым уравнением реакции - конкретный процесс, происходящий в природе, в живых организмах, быту. Это наполняет химические символы конкретным жизненным смыслом и, главное, позволяет убедить школьников в том, что химия- наука необходимая и интересная [9]. Структура заданий представлена на примере задания «Цинк».

Задача 1: «Цинк»

Общая характеристика задачи

Предмет: химия

Класс: 9 (основная школа)

Программа: любая программа основной школы по курсу химии. Элемент содержания, который изучается с помощью данного задания: химический элемент-цинк, его содержание в организме человека, основные эколого-физиологические характеристики.

Задача представляет собой научно-популярный текст. В процессе решения задачи учащиеся на основе внимательного чтения текста выполняют серию заданий, которые предполагают различные действия: нахождение в тексте указанного факта; расчет и перевод массы и единиц количества вещества, работу с таблицами; различие значимой информации и «информационного шума».

С точки зрения восполнения образовательных дефицитов эта задача направлена на формирование таких умений, как

• 
  извлечение информации из научно-популярного текста;
  
• 
  классификация полученной информации;
  
• 
  использование знаний, полученных в других предметах (математика, биология, экология);
  
• 
  работа с избыточным объемом информации;
  
• 
  представление информации в табличном виде
  
• 
  создание собственного текста в заданном жанре.
  
• 
  использование естественнонаучных знаний для решения реальных жизненных ситуаций.
  

Использование задачи целесообразно в конце учебного года. Возможна самостоятельная работа учащихся с текстом задачи.

Оптимальная интенсивность поступления цинка в организм 15 мг/день, суточная потребность составляет 50 мг/сутки. Дефицит цинка может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента в организм (1 мг/день и менее), а порог токсичности составляет 600 мг/день. В организм человека 99% цинка попадает с пищей. Особенно много цинка содержится в говядине, печени, устрицах (400 мг в 100 г продукта), пшеничных зародышах. Цинк поступает в растение в виде иона Zn2+ . Для лучшего усвоения цинка организмом необходимы витамины А и В6. Усвоению цинка препятствуют медь, марганец, железо и кальций. В организме взрослого человека содержится 3 г/70кг. Цинк можно обнаружить во всех органах и тканях:

Ежедневно около 11 мг цинка выводится из организма, 5% из них выводится с мочой.

В медицине цинксодержащий препарат сульфат цинка используется для лечения дефицита цинка, болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени, и при заживлении ран. Препарат не совместим с карбонатами, фосфатами, сульфитами – осаждение не растворимых солей цинка; с восстановленным магнием выпадает осадок цинка.

Вопросы к тексту:
1) Подсчитайте, сколько миллиграммов цинка поступает в организм; а) с продуктами питания; б) с другими источниками поступления ( например: с воздухом и т.д).

2) Сколько молей цинка попадает с пищей в организм человека?

3) Вычислите, в каких процентах находится цинк в органах и тканях человека и запишите полученный результат в таблицу.

4) В каком органе цинк наибольшей степени концентрируется?

5) Вычислите, сколько граммов устриц необходимо съедать ежесуточно для того, чтобы восполнить суточную потребность организма в цинке.

6) Напишите электронную формулу иона цинка.

7) Как грамотно принимать цинксодержащие препараты? Напишите инструкцию по применению цинксодержащих препаратов. Воспользуйтесь заготовкой такой инструкции.
ИСТРУКЦИЯ

по медицинскому применению препарата

Сульфат цинка

Показания к применению

_________________________________________

по медицинскому применению препарата

Сульфат цинка

Показания к применению

Цинка сульфат применяют для лечения дефицита цинка, болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени и при заживлении ран.

Не рекомендуется одновременное введение сульфата цинка с препаратами меди, марганца, железа и кальция, поскольку они тормозят усвоению организмом цинка. Не следует смешивать в одном шприце сульфат цинка с карбонатами, фосфатами, сульфитами: образуются нерастворимые соединения цинка. Для лучшего усвоения цинка организмом необходимо принимать препарат совместно с витаминами А и В6.

Вопрос 2. а) умение использовать элементарные знания (моль); б) умение использовать результаты предыдущего задания для решения данного задания;

Вопрос 3: а) представление информации в табличном виде;

Вопрос 4: а) умение использовать результаты предыдущего задания для решения данного задания; б) умение находить и сопоставить нужную информацию;

Вопрос 5: а) умение использовать естественнонаучные знания для решения реальных жизненных ситуаций.

Вопрос 6: а) демонстрация предметных знаний;

Вопрос 7: а) создание собственного текста в заданном жанре.
Задание№ 2 «Медь». Среднее содержание меди в человеческом организме: 150 мг/70 кг. В организм медь поступает в основном с пищей. В некоторых овощах и фруктах содержится до 230 мг % меди. Много меди содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, картофеле, крапиве. Содержание меди в 100 г. огурцов составляет 8,4 мг. В желудочно-кишечном тракте адсорбируется до 95% поступившей в организм меди. В крови медь связывается с сывороточным альбумином (12-17%), аминокислотами (10-15%), транспортным белком (12-14%). Оптимальная интенсивность поступления меди в организм составляет 2-3 мг/сутки. Суточная потребность организма в меди-2 мг. Медьсодержащий препарат: при ожогах кожи фосфором ее обильно смачивают 5% -ным раствором сульфата меди.

1. Сколько молей меди содержится в организме человека.

2. Подсчитайте, сколько миллиграммов меди связывается при оптимальном поступлении: а) с сывороточным альбумином; б) с аминокислотами; в) транспортным белком .

3. Вычислите, сколько граммов огурцов необходимо съедать ежесуточно для того, чтобы восполнить суточную потребность организма в меди. (Ответ: 23,8 г)

4. В минеральной воде обнаружены ионы железа(Fe3+), алюминия, хлорид- ионы, иодид- ионы, нитрат- ионы, сульфат- ионы, сульфит –ионы. Какие из них могут повлиять на доступность меди (Сu+) организму человека при приеме медьсодержащих препаратов и почему?

5.Представьте, что вы старший фармацевт и должны дать неопытному лаборанту задание приготовить 500 мл раствора сульфата меди, необходимого для смачивания обожженного фосфором кожи. Составьте карту-инструкцию приготовления раствора.

2. Вычислите, сколько граммов свеклы необходимо съедать ежесуточно для того, чтобы восполнить суточную потребность (9 мг) организма в марганце. (Ответ: 1384 г)

3. Напишите электронную формулу иона марганца.

4. Подсчитайте, сколько миллиграммов марганца усваивается организмом человека.

5. Для обработки ран вы должны приготовить раствор перманганата калия, а в наличии оказался 10 г. препарата. Какой объем раствора сможете приготовить из такого количества перманганата калия, если плотность раствора должна быть 1 г/мл.
Задание №4 «Молибден». За сутки в организм взрослого человека поступает вместе с пищей около 0,3 мг молибдена. Более половины поступившего в желудочно-кишечный тракт молибдена всасывается в кровь. Затем, около 80% поступившего в кровь молибдена, связывается с белками и транспортируется по всему организму. В организме молибден скапливается в печени (0,5 мг/кг), а в крови распределяется равномерно. Накопления молибдена в организме млекопитающих не происходит. Растворимые соединения молибдена выводятся из организма с мочой ( 0,15мг) и калом. Тетрамолибдат аммония применяется в медицине для лечения опухолей мозга.
1. Подсчитайте, сколько миллиграммов молибдена: а) всасывается в кровь, б) связывается с белками.

2. Подсчитайте, сколько молей молибдена поступает в организм человека.

3. Подсчитайте, сколько атомов молибдена выводится: а) через почки; б) в целом из организма человека.

4. Подсчитайте, какой процент молибдена выводится с мочой.

5. Вычислите молярную массу тетрамолибдата аммония.
Задание №5 «Калий». Число атомов калия в теле человека составляет 2,2*1024. Содержание калия в пище жителей разных стран колеблется от 1800 до 5600 мг. В США рекомендуемая минимальная величина суточного потребления калия установлена в размере не менее 2000 мг для лиц 18-летнего возраста. Для людей старшего возраста к этой величине прибавляют количество лет отдельного индивидуума: например, для людей в возрасте 50 лет этот показатель равен 2000+50=2050. Биоусвояемость калия организмом составляет 90-95%. Соли калия легко всасываются и быстро выводятся из организма с мочой (3,4 г), потом (до 0,3 г) и через желудочно-кишечный тракт (0,4 г). Калийсодержащий препарат: перманганат калия. Препарат не совместим в жидких лекарственных формах с восстановителями – взаимное разложение; с бромидами, йодидами, хлоридами – выделение свободных галогенов; с солями двухвалентного железа – образование трехвалентного железа; с хлористоводородной кислотой и ее солями образует свободный хлор, с аммиаком - нитраты.
1. Подсчитайте, сколько граммов калия содержится в теле человека?

2. Подсчитайте, сколько граммов калия усваивается организмом человека в возрасте 60 лет;

3. Подсчитайте, сколько молей калия выводится из организма а) через желудочно-кишечный тракт; б) с мочой.

4. В больнице для промывания горла пациенту назначили 0,5% -ный раствор перманганата калия, а в наличии оказался только 6%-ный раствор этого вещества. Сколько воды и 6%-ного раствора потребуется, чтобы приготовить 1кг 0,5 % раствора перманганата калия.

5. Как грамотно хранить жидкие препараты перманганата калия?
ВЫВОД ФОРМУЛ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

1. Определите молекулярную формулу вещества, из которого целиком состоит скелет простейших морских животных аконтарий, если массовые доли элементов в нем составляют: 47,54 %(Sr), 17,48 %(S), 34,97 %(O).

(Ответ: SrSO4).

2. Для мечения территории вилорог использует вещество состава 59,41 % (С), 8,91 %(Н), 31,68 %(О). Определите молекулярную формулу вещества.

(Ответ: С5Н9О2).

3. При укусах муравьев на коже возникает чувство жжения за счет действия этой кислоты. Установите ее молекулярную формулу, если массовые доли элементов в ней составляют: 26,08 %(С), 4,35 %(Н), 69,56 %(О).

(Ответ: НСООН).

4. Определите молекулярную формулу «бариевой каши», используемой медиками (ее дают пациентам перед просвечиванием желудка), если массовые доли элементов в ней составляют: 58,79 %(Ва), 13,73 %(S), 27,46 %(О).

(Ответ: ВаSO4).

5. В некоторых растениях, произрастающих в Южной Африке и Австралии, содержится соль- сильный яд. Менее одного грамма свежих листьев таких растений достаточно, чтобы убить барана. Установите молекулярную формулу этого яда, если массовые доли элементов в нем составляют: 16,38 %(F), 20,68 %(C), 1,73 %(H), 27,58 %(O), 33,62 %(K).

(Ответ: FCH2COOK).

6. Лечебный эффект алое во многом обусловлен алоээмодином. Определите его молекулярную формулу, если массовые доли элементов в нем составляют: 66,42 % (С), 4,06 %(Н), 29,52 %(О).

(Ответ:С15Н11О5).

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМОВ

1. Максимальная концентрация этого элемента отмечена в пигментной сетчатке глаза. По электронной формуле внешнего электронного слоя определите этого элемента: …6s2 6p0. Напишите его названия, символа и порядкового номера, укажите семейство элемента.

(Ответ: барий)

2. Северная орхидея венерин башмачок растет на почвах, богатых этим элементом. По электронной формуле внешнего электронного слоя определите этого элемента: …4s24p0. Напишите его названия, символа и порядкового номера, укажите семейство элемента.

(Ответ: кальций)

3. По содержание этого элемента можно определить пол человека: в женском организме его в 2 раза больше. По электронной формуле внешнего электронного слоя определите этого элемента: …6s1 6p0. Напишите его названия, символа и порядкового номера, укажите семейство элемента.

(Ответ: золото).

4. Максимальная концентрация этого элемента отмечена в твердых тканях зубов. По электронной формуле внешнего электронного слоя определите этого элемента: …3s23p0. Напишите его названия, символа и порядкового номера, укажите семейство элемента.

(Ответ: магний)

5. При недостатке этого элемента приостанавливается рост растений, задерживается созревание плодов. По электронной формуле внешнего электронного слоя определите этого элемента: …3s23p3. Напишите его названия, символа и порядкового номера, укажите семейство элемента.

(Ответ: фосфор).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПО ЭЛЕКТРОННЫМ ФОРМУЛАМ

1. Этот химический элемент преимущественно концентрируется в ногтях. Определите положение этого элемента в периодической системе элементов (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3.

(Ответ: ванадий).

2. Розовые лепестки роз при избытке этого элемента становятся голубыми и даже черными. Определите положение этого элемента в периодической системе элементов (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10.

(Ответ: медь).

3. Карликовость деревьев некоторых районов Бразилии объясняется избытком этого элемента. Определите положение этого элемента в периодической системе элементов (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6.

(Ответ: свинец).

4. Этот химический элемент преимущественно концентрируется в слизистой оболочке языка. Определите положение этого элемента в периодической системе элементов (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6.

(Ответ: олово).

5. Избыток некоторого элемента делает древесину березы неестественно зеленой. Определите положение этого элемента в периодической системе элементов (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6.

(Ответ: барий).
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

1. Благодаря процессу образования ядер 42Не из более простых частиц – ядер водорода 11Н на звездах и в межзвездном пространстве накапливаются очень большие запасы гелия. Какой тип радиоактивного распада при этом реализуется?

А) а– распад

Б) в–распад

В) y–распад

Г) захват электрона

Д) спонтанное деление.

2. В медицине радий используется как источник радона при лечении радоновыми ваннами: при радиоактивном распаде 226Rа образуется 222Rn. Какой тип радиоактивного распада наблюдается при этом?

(Ответ: 22688Rа  22286Rn.+ 42Не.)

3. Термохимическая реакция образования ядер 42Не из ядер водорода 11Н сопровождается выделением большого количества энергии и служит одним из главных источников энергии. Солнца и других звезд. Какой тип радиоактивного распада наблюдается при превращении?

4. Облучая нейтронами изотоп ртути 19680Hg за месяц можно получить 1,5 г. золота 19779Au. Какой тип радиоактивного распада реализуется при таком превращении?
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

1.Для изготовления имплантантов понадобилось 22 г никеля. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата никеля, чтобы в течение 1 ч получить необходимую массу никеля?

2. Для сканирования головного мозга понадобилось 3,48 г железа. В течение какого времени необходимо проводить процесс электролиза раствора сульфата железа (III) при силе 10 А, чтобы при этом получить необходимую массу чистого металла?

4. Для лечения кожных болезней в качестве аппликатора понадобилось 5 г стронция. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза расплава хлорида стронция, чтобы в течение 2 ч получить данную массу чистого стронция?

5. В качестве метки для цинксодержащих ферментов в диагностической лаборатории понадобилось 3,5 г цинка. В течение какого времени нужно проводить процесс электролиза водного раствора сульфата цинка при силе тока 120 А, чтобы при этом получить необходимую массу чистого цинка?

(Ответ: 86,6 с = 1,4 мин)
ЛИТЕРАТУРА

1. Новый взгляд на грамотность. По результатам международного исследования PISA-2000. -М.: Логос, 2004. -296.

2. Ковалева Г.С., Красновский Э.А., Краснокутская Л.П., Краснянская К.А. Результаты международного сравнительного исследования PISA в России //Вопросы образования. 2004. №1. С.138-180.

3. Ковалева Г.С., Краснокутская Л.П., Краснянская К.А., Логинова О.Б. Итоги участия России в международной программе по оценке образовательных достижений (PISA) в 2003 г. //Вопросы образования. 2004. №1. С.181-189.

4. Каспржак А.Г., Митрофанов К.Г., Поливанова К., Соколова О.В, Цукерман Г.А. Российское школьное образование: взгляд со стороны //Вопросы образования. 2004. №1. С.190-231

5. Богданова Н.Н. Формы тестовых заданий по химии.//Естествознание в школе. 2005. №3. С.44.

6. Каспржак А., Митрофанов К., Поливанова К., Соколова О., Цукерман Г. Почему наши школьники провалили тест PISA /Директор школы. 2005. №4. С.4-13.

7. Новые требования к содержанию и методике обучения в российской школе в контексте результатов международного исследования PISA -2000 /А.Г. Каспржак, К.Г. Митрофанов, К.Н. Поливанова и др.- М.: «Университетская книга», 2005. – 128 с.

8. Ковалева Г.С., Корощенко А.С. Изучение химии в школах мира // Химия в школе. 1997. №7. С.2-11.

9. Байдалина О.В. О прикладном аспекте химических знаний.//Химия в школе. 2005. №5. С.45-47.

10. Скальный А.В. Микроэлементозы человека. М.:Научный мир, 1990. -96 с.

11. Кузнецова О.Г., Щангина Л.П., Шевцова Т.А. и др. Пособие по химии для поступающих в СибГМУ. –Томск: Изд-во НТЛ, 2001. -104.