Влияние алгоритмированного обучения на качество знаний учащихся по химии
методическая разработка по химии по теме

Влияние алгоритмированного обучения на качество

знаний учащихся по химии

Проблема межпредметной интеграции содержания учебных дисциплин, в частности химии и основ информатики с ключевым интегрирующим понятием «алгоритм» приобрела в последнее время важное значение.

Алгоритмы, используемые при изучении химии, многочисленны и разнообразны по содержанию. Однако по структуре они могут быть отнесены к трем типам: линейные, разветвленные и циклические. Разнообразно дидактическое значение алгоритмов. Самое главное – их незаменимая роль в усвоении системных знаний, интегративных умений, навыков самообразования, ценностных отношений к наукам, к образованию, учебе, технике, технологии. Алгоритмы реализуются в процессе изучения химии при составлении учащимися химических формул и уравнений, при решении и самостоятельном составлении экспериментальных и расчетных задач разного типа, при подготовке и выполнении демонстрационного и лабораторного химического эксперимента, лабораторных практикумов, занимательных опытов, при разработке и использовании хим. диктантов, загадок, дидактических игр.

Цели и задачи данной работы: раскрыть теорию и практику применения разнообразных алгоритмов, представленных в виде текстовых предписаний, таблиц, блок-схем, текстовых заданий разного типа. Пользуясь данными материалами можно самостоятельно разрабатывать и применять различные по структуре и содержанию алгоритмы, необходимые для усвоения учащимися навыков самостоятельного и творческого изучения химии.

Алгоритм, его основные свойства

«Слово «алгоритм» произошло от латинской формы написании имени великого древнегреческого математика IX в. Мухаммеда ибн Муссы аль-Хорезми (что означает «из Хорезма») – Algorithmi, который сформулировал правила выполнения четырех арифметических действий над числами в десятичной системе исчисления. Слово «алгоритм» связано с именем знаменитого древнегреческого математика Евклида, который так назвал сформулированные им правила нахождения наибольшего общего делителя двух чисел. Систему правил выполнения математических действий в Европе называли термином «алгоризм», который впоследствии переродился в «алгоритм», обозначавший правила решения задач определенного вида» [8, С. 3]

В XX в. понятие «алгоритм» стало объектом математического изучения, затем перешагнуло за пределы математики и нашло применение в различных областях науки и техники.

Однако алгоритм – это не только предписание последовательных действий. Алгоритмы сопровождают человека в форме различных правил и инструкций повсюду. Правила дорожного движения, кулинарный рецепт, инструкция по использованию приборов – все это алгоритмы.

Не может обойтись без алгоритмов и химия. Алгоритмы в школьном курсе химии – это:

- правила составления химических формул и уравнений;

- правила и последовательность описания химических элементов, свойств веществ, протекание химических реакций;

- рациональный способ решения расчетных, экспериментальных и расчетно-экспериментальных задач;

- оптимальный план проведения химического анализа неорганических и органических веществ;

- определенный порядок приготовления растворов заданной концентрации и др. [8, С.5].

Одно из основных свойств алгоритма – массовость. Это свойство характеризует возможность с помощью алгоритма решать задачи определенного типа, а не только одну конкретную задачу. Есть алгоритмы для каждого типа задач.

Следующим важным свойством алгоритма является дискретность. Это свойство обуславливает пошаговый (дискретный) характер алгоритма. Преобразование исходных данных в конечный результат осуществляется дискретно, т.е. действия или команды в каждый последующий момент времени выполняются по четким правилам вслед за действиями, имевшими место в предыдущий момент времени. Только выполнив одно указание, можно перейти к выполнению следующего.

Основным свойство алгоритма является детерминированность (однозначная определенность) – ориентированность на определенного исполнителя. Это свойство требует, чтобы каждое указание алгоритма было понятно исполнителю, не вызывало неоднозначного его понимания и неопределенного исполнения. Алгоритм, реализованный любым лицом (или машиной), должен вести при одинаковых исходных данных к одинаковым результатам. Одно из важнейших свойств алгоритма – результативность. Последовательное выполнение всех предписываемых действий должно привести к решению задачи за конкретное число шагов (конечное), поскольку алгоритм всегда имеет целью получение искомого результата [8, С.6].

Перечисленные выше важнейшие свойства алгоритма позволяют сформулировать следующее определение: алгоритм – конечная последовательность точно сформулированных правил решения некоторых типов задач.

Виды алгоритмов

Алгоритмическая деятельность, понимаемая широко – это не только формальное выполнение действия по соответствующему алгоритму, но и выбор алгоритма решения учебной задачи, составление конечной последовательности шагов из ряда правил, определений, а это значит, что она содержит элементы творчества. В процессе обучения алгоритмы выполняют различные функции. Для учащихся они являются и предметом изучения, и основой для овладения способами добывания и применения знаний, и объектом самостоятельной деятельности (при составлении алгоритмов и их преобразовании из простых в более сложные, блочные), и основой для составления программы для ЭВМ. Рассмотрим соответствующие линии усложнения алгоритмической деятельности учащихся, учитывая полифункциональный характер алгоритмов:

а) если алгоритм – предмет усвоения учащимися, то процесс формирования алгоритмической деятельности направлен на приобщение их к этой деятельности через посредство готовых алгоритмов. Как правило, такие алгоритмы даются в развернутой форме с подробным перечислением всех элементарных операций. В качестве примеров можно назвать алгоритмы составления химических формул веществ, написания уравнения химических реакций, составления названий углеводородов, идентификация органических веществ [7,С.16].

б) алгоритм – основа для овладения способами добывания и применения знаний. Для безошибочного выполнения действия учащиеся должны усвоить систему ориентиров и указаний, представленную в форме алгоритма. Такие алгоритмы можно предложить учащимся при формировании основных приемов логического мышления. Работа проводится по одному и тому же плану:

1) формирование знаний о приеме (разъяснение его смысла; показ образца действий);

2) формирование умений пользоваться приемом по аналогии и в исходных условиях;

3) развитие умений пользоваться приемом самостоятельно и в различных связях.

Отработка приемов умственных действий осуществляется на конкретных химических примерах. Так, задача сравнения возникает каждый раз, когда вводятся новые объекты изучения: химические элементы, вещества, реакции и т.д. В сравнении есть формализованное ядро, каждый раз наполняемое новым содержанием, это ядро можно представить алгоритмом:

Алгоритм сравнения

1. Определить цель сравнения объектов.
2. Выделить признаки, по которым нужно произвести сравнение.
3. Найти сходство или различие между сравниваемыми объектами.

4.Сделать вывод.

Алгоритм индуктивного обобщения

1. Определить цель обобщения.
2. Найти различные признаки объектов.
3. Определить общие признаки объектов.

4.Сформулировать вывод.

Алгоритм дедуктивного обобщения

1. Определить цель обобщения
2. Выделить существенные признаки объектов.
3. Проверить наличие этих признаков в каждом объекте.
4. Выделить те объекты, у которых эти признаки имеются.
5. Сформулировать вывод.

Алгоритм классификации

1. Определить цель классификации.
2. Выделить существенные признаки объектов.
3. Сравнить признаки различных объектов.
4. Выбрать основания для классификации.
5. Разделить объекты по выбранному основанию [7, С.18].

Рассмотренные алгоритмы позволяют совершать действия, активизируют преимущественно репродуктивную деятельность учащихся.

в) Алгоритм – объект самостоятельной деятельности.

К важным факторам рационализации обучения психологи относят структурирование материала, свертывание действий, развитие способности мыслить свернутыми структурами. Использование свернутых алгоритмов, замена обычных алгоритмов на блочно-обобщенные способствуют обобщению умений. Важный момент их формирования – интеграция частных умений и их обобщение в целостную систему. Такой подход, имеет место при изучении химических понятий (см. таблицу 1, приложение).

Алгоритмические предписания

В математике при разработке и построении алгоритмов полностью абстрагируются от способов их реализации в конкретных устройствах и человеческого фактора. Специфичны способы реализации алгоритмов в педагогике, психологии, дидактике и частной методике, ибо в этой сфере существенную роль играет человеческий фактор. В связи с этим, в отличие от строго математического понятия «алгоритм», было введено новое понятие «алгоритмическое предписание», или «предписание алгоритмического типа». Алгоритмические предписания, в отличие от математических алгоритмов, не имеют жесткой конструкции, менее формализованы. Т.к. допускают оперирование не только объектами знаковой природы, но и в большей степени содержанием, смыслом операций, требует реализации специфических человеческих (немашинных) способов действий, включающих осознание объектов действия и смысла операций над этим объектами. Алгоритмические предписания также широко используются в обучении химии. С целью успешного формирования у учащихся навыков владения химическим языком В. Я. Вивюрский разработал алгоритмические предписания (программы последовательных действий) для составления химических формул при изучении неорганической и органической химии. При разработке алгоритма необходимо формировать процесс решения аналогичных задач: составления формул любых веществ с тем чтобы, свести его к применению в конечной последовательности простых и точных правил:

а) Составление химических формул по степени окисления.

Данный алгоритм, прежде всего, наиболее часто используется при обучении учащихся символам химических элементов. Для того чтобы усвоить алгоритмы составления уравнений химических реакций, необходимо прочное усвоение химических символов, алгоритмов составления химических формул неорганических и органических веществ, глубокое понимание теоретических вопросов, стехиометрических законов (например, закона сохранения массы веществ, закона Авогадро), сформированность многих умений, в частности, самостоятельной работы и самоконтроля.

б) Решение расчетных химических задач.

Любая задача включает такие компоненты, как условие и требование. Химическая задача имеет, в отличие от математической, свою специфику, обусловленную тем, что химические знаки, формулы и уравнения содержат в скрытом виде определенные числовые данные. Для решения задачи необходимо выяснить отношения между данными задачи и искомой величиной, установить соответствующие им закономерности. На первоначальном этапе изучения химии целесообразно выполнение качественных задач и упражнений, которые помогут усвоить химический язык, правил написания формул и уравнений, теоретический и фактический материал. На последующих этапах изучения необходимо овладеть умениями решать расчетные задачи, используя на практике полученные знания. Применение алгоритмов при решении задач развивает умение логически мыслить, анализировать закономерности между величинами, выделять существенное в изучаемом, находить оптимальные пути решения задач, последовательно расчленять свои действия на «шаги», приводящие к нахождению искомой величины [9, С.61-63].

При решении расчетных задач используют линейные по структуре алгоритмы.

Пример общего алгоритма решения расчетных задач по химии.

1. Прочитайте текст расчетной химической задачи.
2. Запишите кратко условия и требования задачи с помощью общепринятых условных обозначений.

3. Составьте химические формулы, уравнения реакций в соответствии с содержанием расчётной химической задачи и её требованием.

4. Составьте рациональный план решения задачи.

5. Продумайте, какие дополнительные данные можно извлечь из химических формул, уравнений реакций для реализации требований задачи.

6. Произведите все необходимые в данной задаче действия с заданной математической точностью.

7. Запишите полученный ответ.

в) Решение экспериментальных задач. 

Главная особенность этих задач – решение требует выполнения химического эксперимента. Решение этих задач требует также глубоких и прочных знаний теорий, законов и понятий химии, языка и методов химической науки. Важным средством оптимизации решения экспериментальных задач является реализация алгоритмов их решения. Можно использовать различные виды алгоритмов: разветвленные (см. схему 3), алгоритмы с командами ветвления (текстовые алгоритмы со служебными словами: если, то, иначе или блок схемы) (см. схему 1).

г) выполнение занимательных опытов по химии.

Цель демонстрации занимательных опытов – привитие интереса к химии, организация досуга учащихся, решение разнообразных задач обучения. Занимательные опыты должны быть тщательно продуманы, подвергнуты алгоритмизации, прежде всего с точки зрения техники их выполнения (в особенности соблюдения правил безопасности труда). Алгоритмические предписания, реализуемые при подготовке и демонстрации химического эксперимента, должны содействовать формированию высокого уровня профессиональной химико-методической подготовке учителя, воспитанию волевых качеств – это залог успеха в его работе [3, С.15-16, 43-44]. Алгоритмы в таких случаях лучше использовать линейного типа:

Пример 1. Фараоновы змеи (алгоритм).

Оборудование: 1 ложка порошка уротропина («сухого спирта»), 3 таблетки норсульфазола, асбестированная сетка на демонстрационном столике, спички.

Примечание: после занимательного опыта не забудьте проветрить помещение от запаха сгоревшего «сухого спирта».

Готовим и проводим опыт следующим образом:

- на асбестированную сетку помещаем порошок уротропина;

- вокруг размещаем таблетки норсульфазола;

- асбестированную сетку с подготовленным опытом помещаем на демонстрационный стол;

- поджигаем спичкой верхушку горки;

Образуются красивые блестящие «змеи» с зеленоватым отливом, свисающие с демонстрационного столика.

д) решение тестовых заданий.

Тест (test (англ.) – испытание, проба) – система лаконично и точно сформулированных, стандартизированных заданий, на которые необходимо дать в течение ограниченного времени краткие и точные ответы, оцениваемые по системе баллов [11, С.52 – 54].

В химии используют тематические тестовые задания, применяемые для контроля знаний и умений по конкретной теме; текстовые задания – задания на дополнения из текста; цепные текстовые – испытуемый не ответит на последующее задание, если не ответил на предыдущее; ситуационные задания. Нередко учителя химии мало обращают внимание на технологию и алгоритм составления тестов. При правильном составлении теста необходимо руководствоваться следующими принципами:

1. Дидактическая значимость (соответствие текстовых заданий образовательным стандартам)
2. Контроль и оценивание того, что изучено.
3. Обеспечение всестороннего охвата содержания обучения.
4. Легкость и простота использования теста, наличие четкой инструкции выполнения и оценки результатов.
5. Многовариантное предъявление информации в тестах.
6. Определенная форма, конструкция для представления (тесты с выборочными ответами, тесты последовательности, тесты на установление соответствия, тесты дополнения) [2, С.12 – 13].

Результаты грамотного, корректного тестирования всегда объективны, достоверны и измеряются сравнительно точно путем их обработки с помощью современных машинных и безмашинных способов (ЕГЭ).

Пример 1. Алгоритмы при составлении тестов последовательности [6, С.15 – 16].

Тесты последовательности позволяют проверить сформированность алгоритмического мышления, элементов информационной культуры; позволяют вывести учащихся на творческий уровень.

Инструкция:

Установите правильную последовательность

Гомологический ряд алкенов.

1. СН3 – СН = СН2
2. СН2 = СН2
3. СН3 – СН2 – СН=СН2
4. СН2 = СН – (СН2)3 – СН3
5. СН2 = СН – (СН2)2 – СН3        Ответ: 2; 1; 3; 5; 4.

Итог использования алгоритмических предписаний – создание правильных, корректных, продуктивных алгоритмов, позволяющих выявлять усвоение учебного материала учащимися, решать учащимся самостоятельно различные задачи; самостоятельно изучать некоторые разделы химии, а самое главное, воспитывать творческие личности.

В этой работе раскрыт интегративно-алгоритмический подход к изучению химии, сущность которого в пошаговом объединении и синтезе ранее обобщенных компонентов. Рассмотрены не только важнейшие свойства алгоритмов, но и возможности использования алгоритмических предписаний, различные способы записей алгоритмов, структура и типы алгоритмов. Приведенные алгоритмы позволяют овладеть такими химическими знаниями и умениями их применять, которые соответствуют современным образовательным стандартам, усвоить не только базисные предметные умения, но и выйти на новый уровень самостоятельного и творческого изучения химии.

Применяя на своих уроках алгоритмы различных видов в течение трёх лет, мы получили неплохие результаты.

Список использованной литературы

1. Аванесов В.С. Композиция тестовых заданий. Учебная книга для преподавателей вузов, учителей школ, аспирантов и студентов педвузов. – М.: Адепт, 1998. – 217 с.
2. Аванесов В.С. Теоретические основы разработки заданий в тестовой форме. – М.: Исслед. ин-т проблем качества подготовки специалистов, 1995. – 95 с.
3. Алексинский В.Н. Занимательные опыты по химии: пособие для учителя. – М.: Просвещение, 1995. – 96 с.
4. Воскобойникова Н.П., И.В. Галыгина. Химия 8-9 классы. Дидактические карточки – М.: Вентана – Граф, 2004. – 73 с.
5. Вивюрский В.Я. Использование алгоритмических предписаний при составлении химических формул и химических уравнений // Химия в школе. – №6. – 1980. – С.12 – 15.
6. Гара Н.Н., Кошелева Е.А. Тесты по химии. 8 – 9 классы. – М.: Издательский Дом «Генжер». 1997. – 64 с.
7. Кузнецова Н.Е., Герус С.А. Формирование обобщенных умений на основе алгоритмизации обучения // Химия в школе. – 2002. – №5. – С.16 – 17.
8. Пак М.С. Алгоритмика при изучении химии – М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 2000. 25 с.
9. Пальчиков Д.В. О применении алгоритмов при решении расчетных задач // Химия в школе. – 1968. – №3. – С.61.
10. Петрова Н.С. Использование алгоритмических предписаний при решении расчетных задач // Химия в школе – 1982. – №4. – С.51 – 53.
11. Талдыкин В.С. К решению задач с помощью алгоритмов // Химия в школе – 1969. – №3. – С.52 – 54.

Таблица 1

Алгоритм изучения химического понятия

Схема 1

 (Блок схема) Отделение ионов кальция от ионов бария.

Ответ:

в осадке ионы бария

нет

Ответ:

в растворе ионы кальция

начало

1. Отлейте в пробирку 2 мл данного раствора.
2. Добавьте 5 мл раствора хромата калия

Образование желтого осадка

да

Задача

Отделить ионы кальция от ионов бария