конспект метапредметного урока по химии в 11 классе по теме "Пути познания"
план-конспект урока по химии (11 класс) по теме

КОНСПЕКТ УРОКА НА ТЕМУ:

«ПУТИ ПОЗНАНИЯ» ХИМИЯ 11 КЛАСС

Автор: Фоменко И.А., учитель химии, МОУ СОШ №12 г.Новоаклександровска

Уважаемые ребята!

Я прошу вас прочитать высказывания на столах и занять место за тем столом, высказывание на котором соответствует вашему мироощущению.

Начать урок я хочу словами Николая Бердяева: «Познание – это солнечный свет, без которого человечество не может развиваться». Мне хочется, чтобы эти слова стали не только эпиграфом сегодняшнего урока, но и девизом нашего успешного, я уверена в этом, продвижения в познании мира, который нас окружает.

Ведь человечество всегда стремилось к приобретению новых знаний. Овладение тайнами природы есть выражение высших устремлений творческой активности разума, составляющего гордость человечества. За годы своего развития оно прошло длительный и тернистый путь познания от примитивного и ограниченного к глубокому и всестороннему проникновению в сущность Природы.

Ребята, а как вы думаете, что такое познание?

- Путь знания, поиск знания, путь исследования.

Правильно. Познание (Большой энциклопедический словарь) - творческая деятельность субъекта, по  получению новых  знаний о мире

Слово познание соотносится со словом метод.

Метод (от греч. μέθοδος - путь исследования, учение)  - способ достижения какой-либо цели, совокупность приемов практического или теоретического познания действительности.

Видный философ, учёный XVII в. Ф.Бэкон сравнивал метод познания с фонарём, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте.

Существует целая область знания, которая специально занимается изучением методов  - методология, важнейшей задачей которой является изучение методов познания.

А как мы познаем окружающий мир?

- Через органы чувств. Наблюдая, измеряя.

Вы правы.

Различают 1) наблюдение, эксперимент, измерение,

2) гипотезы, теории, законы

(если затрудняются обращаю к высказыванию)

Различают два пути научного познания: эмпирический и теоретический. Эмпирический путь научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне: осуществляется процесс накопления информации об исследуемых объектах, происходит первичная систематизация полученных знаний, например: в виде таблиц, схем, графиков.

Теоретический уровень научного исследования осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит выявление наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Результатом теоретического познания становятся  гипотезы, теории, законы.  

Я предлагаю Вам сегодня разговор о самом великом открытии в области химии, о появлении закона, который лежит в основе всего современного естествознания.

 Речь пойдет о ПЗ и ПС Д.И. Менделеева.

«Загадка человеческого разума – самая большая загадка Природы», писал Э. Шредингер в книге «Разум и материя».

Приоткрыть эту тайну мы попробуем сегодня. А для успешности нашей работы я предлагаю составить ее план. Пусть он будет в виде вопросов, на которые мы сегодня будем искать ответы.

Вопрос – это всегда направление к ответу. Итак, давайте сформулируем вопросы сегодняшнего урока:

1. Были ли попытки классифицировать элементы до Д.И. Менделеева? Почему они не увенчались открытием Всеобщего закона?
2. Почему именно Менделеев сумел создать ПС и открыть всеобщий закон Природы?
3. В чем сущность его открытия? Почему ПЗ и ПС стали основой для изучения химических веществ?

             Для того чтобы познакомиться с попытками классификации элементов, предлагаю обратиться к учебному тексту в рабочих тетрадях.

Ваша задача заключатся в заполнении таблицы

 I группа (1-4 теории),

II группа (5-8 теории).

 Итак, сделаем некоторые выводы. Что общего у всех теорий?

- Увидели только сходство.

- Неправильно выбрали критерий.

- Не подтвердили структурой.

- Формально подошли к изучению.

А давайте попробуем определить, что было нужно сделать ученому, чтобы вывести закон Природы?

- Видеть не только сходство, но и отличие.

- Не теряться в деталях.

- Не ограничивать себя материалом для изыскания.

- Искать общие свойства объектов.

- Верить в успех.

- Применять математические методы.

- Правильно выбрать критерий отбора и наложить его на множество объектов.

- Открытие законов опирается на достигнутое и это историческая необходимость.

А в чем состояла трудность ученых того времени? Попробуем опираться на теорию множеств, которую вы изучаете в курсе   математики.

- Не все элементы известны.

- Многие описаны на  уровне: «больше», «меньше».

- Некоторые ошибочно

-  Не было математических методов описания множеств.        

- Элементы не структурированы, нет графиков, таблиц    не сведена воедино.

- Неизвестен параметр, описывающий фундаментальное свойство.

Немецкий писатель и мыслитель Юнгер писал: «Способность к комбинаторному, т.е. системному мышлению отличается от способности логически мыслить тем, что она владеет приемами высшей математики там, где существует обычное искусство арифметики».

Именно таким мышлением обладал Д.И. Менделеев. Успех в систематизации элементов был предопределен тем, что с самого начала был нацелен на поиск единства противоположностей, правильностью и полнотой выбора ограничительных критериев, выбором единственно верной последовательности наложения ограничений на множество химических элементов.

Все это позволило ему шагнуть дальше классификационных целей – не только создать ПС, но и открыть фундаментальный закон Природы. Однако гениальность ученого состояла и в другом.

Но задача классификации не может в науке быть главной. Гораздо важнее найти те объективные законы, которые связывают воедино объекты наук и объясняют их генетические взаимоотношения. Именно на этом пути классификация служит первым, но абсолютно необходимым шагом.

На примере классификации химических элементов проанализируем эти процессы в терминах информатики. Всякое множество может быть описано на трех уровнях:

• семантическом  (словесное описание. Такие описания в терминах «больше» или «меньше», «сходные» и «различающиеся» часто встречаются в школьных учебниках и научно-популярных книгах. При всей приблизительности подобного описания оно дает возможность с достаточной полнотой сформулировать проблемную ситуацию, высказать некоторые предположения об источниках имеющихся противоречий и даже выдвинуть научные гипотезы);
• структурном (Примеры структурного описания — таблицы, графики, сети, отражающие конкретные характеристики объектов изучаемого множества. Они делают более наглядными генетические связи между элементами множеств);
•  параметрическом  (Основываются на точных данных об объектах множества и выражаются в виде функциональных математических зависимостей, раскрывающих причинно-следственные связи и тем самым разрешающих проблемную ситуацию).

Для упорядочения множеств наука пользуется методом выбора наиболее существенного параметра, в качестве которого могут быть любые характеристики объектов.

Так, для описания множества химических элементов можно выбрать: атомную массу,

атомные или ионные радиусы,

типичные валентности в высших оксидах и водородных соединениях. При этом может возникать сеть многоальтернативных вероятностных подсистем. Но верным решением проблемной ситуации может быть лишь одно. И чем более фундаментальные свойства объектов классификации выбираются в качестве ограничений, тем  более логично накладываются они на систему. А классификация объектов становится тем ближе к естественной.

Но все попытки доменделеевской комбинаторики сводились к поиску единства и взаимосвязей внутри малых групп — подмножеств сходных элементов. Выйти за пределы комбинаторного мышления оказалось не под силу никому.

Выводы:

• Когда в любой науке созревает проблемная ситуация, за ее решение, как правило, принимаются многие ученые. Открытие законов природы - не случайность, а историческая необходимость.

•  Каждый отдельный шаг научного поиска может содержать рациональные идеи, которые становятся ступенями на дороге к истине.

•  Выдающиеся открытия в науках не рождаются на пустом месте. Как правило, они не отвергают сделанное ранее, но опираются на всю накопленную положительную информацию.

Однако, гениальность Д.И.Менделеева состояла и в другом. Если взять за основу числовую ось атомных масс и расположить на ней все известные химические элементы, то такая ось уже представляет собой некую одномерную таблицу элементов, отражающую функциональную зависимость их свойств от атомной массы. На этой оси можно видеть повторяемость свойств элементов через неравные интервалы.

Σсвойств =f(А), где Σсвойств является функцией фундаментальной характеристики — их атомной массы, выступающей в роли аргумента (А).

Это  функция периодическая, монотонная, прерывная.

Именно это свойство прерывистости и позволило Менделееву право перевести таблицу из одномерной линейной формы в двумерную. Он поместил периоды элементов друг под другом и поделил большие периоды на ряды с учетом свойств элементов и типичных степеней их окисления (валентностей).

Представление о группах и подгруппах элементов выступает как учение о единстве сходных элементов множества. Представление о периодах подтверждает единство противоположностей и повторяющуюся эволюцию свойств элементов от типичных металлов до типичных неметаллов.

Периодическая система - не график, она имеет табличную форму выражения функциональной зависимости. Само множество элементов имеет дискретную природу, потому и функциональная зависимость дискретная. На графике оно отражалось бы системой точек, а в табличной форме каждый элемент имеет свою клетку. Причем практически все свойства элементов соответствуют понятию периодичности. Например, изменение первых значений энергии ионизации при отрыве одного  электрона от атома.

Какие  закономерности мы  знаем, определяющие зависимость свойств атомов от других параметров, кроме атомных весов?

- От заряда ядра.

Верно, в 1913 году Г. Мозли по поручению Резерфорда и Бора экспериментально нашел еще одну фундаментальную характеристику, которая также может выступать в виде аргумента  Σсвойств =f(A,Z).

А как будет изменяться аргумент Z?

-Изменяется линейно

А аргумент А?  

-По плавной  кривой, почти вдвое опережая Z.

 Свойства элементов меняются периодически, через неравные интервалы.

Но открытие Мозли, как и закон Менделеева, не является истиной в последней инстанции, а представляет определенный этап в развитии науки. И сам Менделеев говорил, что периодический закон не объясняет причин и характера открытых зависимостей. Он писал о периодическом законе как «о новой тайне природы, еще не поддающейся рациональной концепции».

Физический смысл, причину такой зависимости удалось объяснить только с открытием электронной структуры атомов. Для этого потребовались дальнейшие фундаментальные исследования Резерфорда, Бора, Паули, Зоммерфельда и многих других выдающихся физиков мира. Повторяемость свойств, как оказалось, зависит от повторения строения внешних электронных слоев атомов. Так в уравнении появился третий аргумент — электронная структура: Σсвойств =f(А,Z,ē).

Выводом из всего сказанного могут прозвучать слова самого Д. И. Менделеева: «Будущее не грозит периодическому закону разрушением, а обещаются только надстройка и развитие».    

Итак, давайте сделаем первые выводы.

Что мы можем сказать о Пз и ПС?

- ПЗ – всеобщий закон Природы, ПС – табличное выражение всеобщей закономерности зависимости свойств от атомного веса, заряда ядра и строения      оболочек.

Существуют ли законы познания, овладев которыми можно успешно продвигаться в изучении Природы, поиске новых связей между объектами и явлениями действительности?

-Да

Является ли открытие законов природы – исторической необходимостью?

-Да, если она опирается на достигнутые успехи другими.

Заканчивая говорить о ПЗ, мне хочется обратить ваше внимание на тот титанический труд, упорство, которые проявил Д.И.  Менделеев. Ведь были составлены десятки вариантов ПС, книга «Основы химии» для которой и была разработана система, никак не сдавалась в печать – шли поиски закономерности. К гениальности предвидения всегда должно прилагаться трудолюбие, желание раздвинуть рамки действительности, заглянуть за познавательный горизонт. То, что я не знаю – загадка, значит это интересно…

Ребята, давайте попробуем увидеть последнюю  закономерность. Я предлагаю поработать вам в группах. (Работа в группах)
Выводы по таблице.

Индукция (от лат. Inductio - наведение, побуждение) есть метод или способ  познания. то движение нашего мышления от частного, единичного к общему. Индукция, широко применяемая в научном познании, обнаруживая сходные признаки, свойства многих объектов, делает вывод о присущности этих признаков, свойств всем объектам данного класса. Родоначальником классического индуктивного метода познания является Френсис Бэкон, но он трактовал её очень широко, как универсальный метод познания природы. На самом деле методы научной индукции служат главным образом для нахождения эмпирических зависимостей между экспериментально наблюдаемыми свойствами объектов и явлений.

Дедукция (от лат. Deductio - выведение) есть получение частных выводов на основе знания каких-то общих положений. Другими словами, это есть движение нашего мышления от общего к частному, единичному. Примером общенаучных методов, применяемых на эмпирическом и теоретическом уровнях познания, являются анализ и синтез.

Это:
• "путь паука";
• "путь муравья";
• "путь пчелы".
"Путь паука" — получение знания из "чистого разума", то есть рационалистическим путем. Данный путь игнорирует либо значительно принижает роль конкретных фактов, практического опыта. Рационалисты оторваны от реальной действительности, догматичны и, по Бэкону, "ткут паутину мыслей из своего ума".
"Путь муравья" — такой способ получения знаний, когда во внимание принимается практический опыт, сбор фактов, доказательств. Таким образом, они получают внешнюю картину знания, видят проблемы "снаружи", "со стороны".
"Путь пчелы", по Бэкону, — идеальный способ познания. Используя его, философ-исследователь берет все достоинства "пути паука" и "пути муравья" и в то же время освобождается от их недостатков. Следуя по "пути пчелы", необходимо собрать всю совокупность фактов, обобщить их (взглянуть на проблему "снаружи") и, используя возможности разума, заглянуть "вовнутрь" теории, понять ее сущность.
А мы можем привести примеры такого объединения, обобщения двух путей познания в химии?

- Это моделирование, мыслительный эксперимент.

А мы можем предложить такие модели, которые объединяют практический и теоретический путь познания?

-Это модель атома, электронная формула и изображение квантовых ячеек.

Но на сегодняшний день более сложные модели рассчитываются математически с помощью компьютера. Одной из таких моделей мы можем воспользоваться на сайте ХиМиК. Она выглядит следующим образом.

Вводя данные, мы и изображения и запись с помощью квантовых ячеек и электронной формулы.

Сегодня мы говорим  о научных методах познания. А ведь еще существует и образное познание мира.

Какие искусства помогают нам понять наш мир лучше?

- Изобразительное искусство, музыка, театр, литература

Отрицать важную роль образного, художественного способа познания мира нельзя. Еще Менделеев писал: «Система сложилась в моей голове как образ, а затем я перенес ее на бумагу».

Я предлагаю вам несколько творческих домашних заданий.

Я была приятно удивлена, увидев в вашей замечательной гимназии уголок с картинами моего любимого художника Мориса Эшера. Я предлагаю вам еще одно его произведение «Три мира». Подумайте, в контексте сегодняшнего урока, какие три мира изображены  здесь и какие пути познания предлагает художник для их изучения.

И, может быть, именно эти пути познания станут вашими. Ведь иногда образное восприятие мира позволяет нам не только лучше понимать тайны мироздания, но и самих себя.

Я предлагаю вам представить себя в виде электрона, вращающегося на одной из орбиталей вокруг центра знаний об атоме. Отметьте значком свое местоположение в начале урока и в конце его и стрелочкой покажите в каком направлении вы сегодня двигались, возможны три варианта: двигались по кругу, не приближаясь к знанию, уходили от него, или, наоборот, приближались и насколько?

А закончить урок мне хочется пожеланием удачи в вашем поиске истины, на пути познания мира словами Декарта:

«Нельзя представить себе ничего настолько невозможного, чтобы не быть познанным  тем или иным философом»

В 1829 г. немецкий химик И. Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами. Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. Отсутствие магния в едином семействе кальция, стронция и бария или кислорода в семействе серы, селена и теллура является результатом искусственного ограничения совокупностей сходных элементов лишь тройственными союзами. И. Деберейнер отчетливо видел глубокие аналогии в химических свойствах фосфора и мышьяка, сурьмы и висмута, но ограничил себя поисками триад.

В 1864 году англичанин Джон Александер Рейна Ньюлендс будучи знатоком гармонии в музыке, попытался найти гармонию в мире химических элементов. В звукоряде, состоящем из октав, через семь звуков повторяется звук «до», но октавой выше. Так и среди элементов Ньюлендс нашел свои октавы, он заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый восьмой элемент является своего рода повторением первого - подобно тому, как нота "до" (как и любая другая нота) повторяется в музыкальных октавах через каждые 7 нот (закон октав). Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени) помещались под одним номером. Можно видеть, с какими трудностями столкнулся Ньюлендс - наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в его системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов.

Ньюлендс пытался придать этой зависимости всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест. Автор теории не распознал природу наблюдаемого явления - закон октав был принят чрезвычайно скептически.

В 1863 г. французский химик Александр Эмиль Бегье де Шанкуртуа в работе «Земная спираль» предложил оригинальную идею, получившую название «теллуров винт». Он нанес на поверхность цилиндра под углом 45° к плоскости основания спиральную ось, на которой расположил известные элементы в порядке возрастания атомных масс. Так, на одну вертикаль,  попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. В его системе явно просматривались идеи развития материи по спирали и повторяемости свойств элементов через определенные периоды. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии оказывались элементы совсем разного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы — ничего общего с ними не имеющий титан.

Наконец, в 1864 г. немецкий химик Лотар Мейер опубликовал таблицу, в которой известные химические элементы были расположены в порядке возрастания атомных масс и сгруппированы в шесть столбцов по признакам сходства. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов. Мейер первым отметил повторяемость свойств элементов через неравные интервалы. Он писал уже более определенно: «Нельзя сомневаться, что имеется закономерность в численных величинах атомных весов». В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием «Природа элементов как функция их атомного веса», состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин «периодичность», уже предложенный к тому времени Менделеевым. Но Мейеру не удалось верно определить  структуру табличной формы, что характеризует его формальное мышление.