Компьютерные лабораторные работы по химии

Руководитель исследовательской группы "СНАРК" к.т.н. О.А.Поваляев
Научный сотрудник МИТХТ им. М.В.Ломоносова Н.А.Резцова

Исследовательская группа "СНАРК" лаборатории новых технологий обучения при Московском автомобилестроительном институте (МАСИ) существует уже более года. Одна из наиболее интересных и перспективных работ группы - создание учебного компьютерного лабораторного комплекса L-микро® для общеобразовательной школы. Однако, реально работа над комплексом начата значительно раньше. Внимание лаборатории уже несколько лет обращено к проблемам компьютеризации общеобразовательной школы и созданию современного лабораторного оборудования для школы. Вот некоторые выставки, в которых участвовали экспонаты лаборатории: "Мир детства - 94", "Образование - 94", "Образование - 95", "Сomtek-96", "Юнеско - 96".

Компьютерный комплекс L-микро® рекомендован Министерством образования России для использования в средней школе и разработан группой "СНАРК" совместно с Московским институтом повышения квалификации работников образования (МИПКРО).

Раздел "Химия" - один из трех разделов L-микро® , включающем также разделы "Физика" и "Биология". Подробные публикации о практических работах по физике L-микро® помещены в журнале "Физика в школе" 1996г, стр. 75-79 и в бюллетене "Проблемы информатизации высшей школы" 1995. Раздел "Химия" был разработан первым и уже активно используется в десятках школ России.

Раздел "Химия" создан на основе опыта разработки компьютерных практических работ по физике и с учетом особенностей предмета химии. Химия занимает ключевое место в естествознании, является базовой при изучении биологических систем и проблем экологии. Важная роль химии в формировании естественнонаучного кругозора, общей культуры человека обусловлена возможностью с помощью химии показать межпредметные связи, интеграцию естественных наук.

При создании серии практических работ L-микро® авторы учитывали и то, что в отличие от физики и математики, направленных на развитие прежде всего логического мышления, химия способствует формированию интуитивного, образного, "химического" мышления. Поэтому особое значение при изучении химии в школе имеют практические занятия. Только при овладении реальным, "живым" экспериментом и получении экспериментальных навыков может развиться такое мышление.

Заинтересованное изучение химии возможно главным образом в результате широкого применения в учебном процессе лабораторных работ. Однако, реально количество демонстрационных и особенно практических работ, используемых в средней школе, невелико. Проводить такие уроки существенно сложнее, чем обычные. Подготовка и проведение экспериментов требует значительных временных и материальных затрат, а также соблюдения мер безопасности. С другой стороны, школьное оборудование кабинета химии не подверглось большим изменениям. Оно часто не удовлетворяет потребностей современной школы и достаточно дорого.

Действительно, в настоящее время между рядом современных мощных методов экспериментальной химии и школьными практическими работами по химии лежит пропасть. Чтобы обеспечить преемственность между школьными знаниями и современными методами практической химии, необходимо использовать в учебном практикуме хотя бы простейшие из них.

Помочь учителю преодолеть указанные трудности, провести хотя бы часть практических работ на современном уровне и повысить привлекательность химии призвана лабораторный компьютерный комплекс L-микро® .

Современные методы исследования химии имеют огромные возможности прежде всего в области химического анализа, а также управления процессом. Это стало возможно на основе сочетания химического процесса с физическими методами измерения с одной стороны, а с другой стороны - с ЭВМ, обеспечивающей систему сбора, обработки данных и управление процессом.

Из этого же принципа - химический процесс + физический метод измерения + ЭВМ - исходили разработчики нового лабораторного комплекса по химии.

В качестве универсальной ЭВМ использован современный персональный компьютер. Он запишет, сохранит и обработает полученные экспериментальные данные, представит их в любой удобной форме - в виде графика или таблицы. Если имеется принтер, то и распечатает результаты работы. Данные особенно удачных или неожиданных экспериментов могут постепенно накапливаться в памяти компьютера и составить фонд, находящийся в распоряжении учителя. В каждой практической работе по химии кроме пунктов "Проведение эксперимента" и "Обработка данных" содержатся также "Теория", "Допуск" и "Защита". При этом программистами группы "СНАРК" созданы предельно простые программы управления компьютером, доступные как для преподавателя, так и для ученика.

Особенно важно для практических работ по химии то, что запись параметров любой химической реакции происходит в непрерывном режиме. Экспериментатор в любой момент имеет оперативную информацию о ходе процесса, не отвлекаясь на трудоемкую запись данных или расчеты. Чаще всего, компьютер выводит на дисплей кинетическую кривую. В зависимости от уровня ученика, результатом работы может быть не только численное значение исследуемого параметра, но и наблюдения за динамикой процесса: скоростью, изменениями в ходе реакции. Для проведения опытов используется минимальное время, поскольку при непрерывном режиме записи данных имеется определенный критерий получения конечного результата, например, выход кривой на постоянное значение. Кинетическая кривая является подтверждением достоверности полученного результата. Кроме того, появилась возможность сравнивать свойства веществ не только качественно, но и количественно.

Большинство измерительных частей оборудования - датчиков - разработано исследовательской группой "СНАРК". Для использовании в комплексе "Химия" пока выбраны датчики температуры, давления, рН, проводимости. Высокая чувствительность этих датчиков позволяет регистрировать даже очень слабые сигналы, "увидеть" те процессы, которые невозможно зарегистрировать с помощью традиционных подходов к школьным опытам. Важное достоинство применения указанных датчиков - возможность использования минимального количества вещества. Это стало возможно не только благодаря высокой чувствительности, но и компактности тех датчиков, которые погружаются в вещество.

Что же касается химических реакторов, т.е. той части оборудования, которую ученики могут собирать и подключать к измерительной системе самостоятельно, основными принципами разработчиков были: наглядность, доступность и безопасность. Приборы предельно просты по конструкции, их можно легко собрать как учителю, так и ученикам. Чтобы приблизить практические работы в школе к работе в обычной лаборатории, та часть оборудования, в которой протекает химический процесс, укомплектован традиционной стеклянной химической посудой. Это, например, химический стакан с делениями и мешалкой (рис.1) или пробирка со стеклянной насадкой, присоединенной герметично с помощью стандартного разъема-шлифа (рис.2). Такое оборудование универсально, один и тот же прибор используется не только в нескольких опытах, но и в различных практических работах. При желании, отдельные его части могут быть заменены другими аналогичными, уже имеющимися в лаборатории. При использовании этих приборов исследователь наблюдает процесс одновременно не только "изнутри" с помощью датчика, но и визуально, если есть видимые глазом изменения реакционной массы. Например, можно соотнести показания датчика с процессом растворения вещества или изменения окраски раствора.

Поскольку чаще всего в школах компьютер расположен не в кабинете химии, а в компьютерном классе, большая часть предлагаемых работ не представляет опасности. При проведении значительного количества опытов используются безвредные вещества, доступные и недорогие. Кроме того, для экономии реактивов возможно провести многостороннее исследование одного процесса, подключая различные датчики к одной и той же реакционной среде.

При планировании исследований исследовательская группа "СНАРК", конечно, учитывала, то, что при проведении значительного количества опытов по химии нет необходимости использовать измерительные приборы. Исходя из принципа целесообразности применения компьютера разработаны следующие практические компьютерные работы: тепловой эффект при растворении вещества, тепловой эффект химических реакций, изучение электрической проводимости водных растворов, определение рН, определение жесткости воды, зависимость скорости реакции от различных факторов. Практическая работа, основанная на определении угла оптического вращения раствора вещества, включена как в раздел "Физика" ("Основы работы поляриметра"), так и в раздел "Биология" ("Оптические свойства углеводов"). Между тем, эту работу можно включить также и в раздел "Химия", поскольку объяснение механизма поляризации света раствором оптически активного вещества возможно только в курсе предмета химии.

Остановимся на некоторых интересных особенностях практических работ по химии. Для исследования скорости химической реакции необходима гранула цинка размером всего 1-2 мм! Обычной гранулы в несколько грамм достаточно для проведения практической работы всем классом. А одного миллилитра 10%-го раствора соляной кислоты достаточно, чтобы провести при сравнительных опыта за 10-15 минут! Еще несколько минут займет обработка данных по программе и ученики получают три кинетические кривые, размещенные на одном графике и соответствующие им значения скорости химической реакции. При этом сборка прибора, подключение измерительной системы, приготовление веществ их смешение и подготовка к последующим опытам может проводиться как самим учителем, так и учениками.

Результаты работ по исследованию тепловых эффектов были неожиданными даже для самих разработчиков комплекса. Только благодаря использованию прибора появилась возможность самоконтроля при проведении опыта. Например, оценить, насколько равномерно и аккуратно экспериментатор добавляет вещество и осуществляет перемешивание. Эффектно выглядит температурный "скачок", соответствующий перегреву раствора при смешивании некоторых веществ. При выполнении практической работы "Изучение электрической проводимости водных растворов" используются микроколичества веществ (на кончике шпателя). Ученики наблюдают растворение вещества, после полного его растворения получают значение электрической проводимости разбавленного раствора и классифицируют вещества на неэлектролиты, сильные электролиты, электролиты средней силы, слабые электролиты.

Чувствительный датчик позволит сравнить качество воды из различных источников, даже из линии холодной и горячей воды.

Надеемся, что компьютерный учебный комплекс L-микро® , благодаря современному подходу к исследованию, поможет учителю заинтересовать учеников и поднять престиж химического образования.