ФОРМИРОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ ГРАМОТНОСТИ НА УРОКАХ ХИМИИ И БИОЛОГИИ, ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ АНАЛИТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

FORMATION OF NATURAL SCIENCE LITERACY IN CHEMISTRY AND BIOLOGY LESSONS BY USING ANALYTICAL ANALYSIS METHODS

Andrey Nabatchikov

student, Faculty of Mathematics, Physics, Chemistry, Computer Science, Department of Physics and Chemistry, State University of Social Sciences and Humanities,

Russia, Kolomna

Tamara Lozinskaya

student, Faculty of Mathematics, Physics, Chemistry, Computer Science, Department of Physics and Chemistry, State University of Social Sciences and Humanities,

Russia, Kolomna

Galina Timofeeva

scientific supervisor, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Physics and Chemistry, State University of Social Sciences and Humanities,

Russia, Kolomna

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается процесс формирования естественнонаучной грамотности у учащихся на уроках химии и биологии через применение методов аналитического анализа. Также подчеркивается важность интеграции аналитических подходов в образовательный процесс, что способствует более глубокому пониманию учащимися ключевых концепций и принципов естественных наук. В ходе исследования, представлены различные методы аналитического анализа, такие как качественные и количественные исследования, которые могут быть использованы для изучения химических и биологических процессов. Не малый акцент внимания делается на значении практических занятий и лабораторных работ, которые помогают учащимся развивать критическое мышление и навыки научного анализа. Результаты исследования показывают, что применение данных методов не только повышает уровень естественнонаучной грамотности, но и формирует интерес к научным дисциплинам, что является важным аспектом современного образования. Статья будет полезна педагогам, методистам и всем заинтересованным в улучшении качества преподавания естественных наук.

ABSTRACT

The article examines the process of formation of natural science literacy among students in chemistry and biology lessons through the use of analytical analysis methods. The importance of integrating analytical approaches into the educational process is also emphasized, which contributes to a deeper understanding of key concepts and principles of natural sciences by students. In the course of the study, various analytical methods are presented, such as qualitative and quantitative studies, which can be used to study chemical and biological processes. No small emphasis is placed on the importance of practical exercises and laboratory work that help students develop critical thinking and scientific analysis skills. The results of the study show that the use of these methods not only increases the level of natural science literacy, but also generates interest in scientific disciplines, which is an important aspect of modern education. The article will be useful for teachers, methodologists and anyone interested in improving the quality of teaching natural sciences.

Ключевые слова: естественнонаучная грамотность; аналитический анализ; естественные науки; качественный анализ; количественный анализ; биология; химия; критическое мышление.

Keywords: natural science literacy; analytical analysis; natural sciences; qualitative analysis; quantitative analysis; biology; chemistry; critical thinking.

Важной составной частью функциональной грамотности является естественнонаучная грамотность.

В статье Мамедова Н. М. и Мансуровой С. Е. «ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ ГРАМОТНОСТЬ КАК УСЛОВИЕ АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА К ЭПОХЕ ПЕРЕМЕН», используется следующее определение естественнонаучной грамотности: «Это один из видов функциональной грамотности, рамки требований к которой заданы Международной программой по оценке образовательных достижений учащихся разных стран (англ. Programme for International Student Assessment, PISA)» [3].

Согласно программе, естественнонаучная грамотность соотносится с такими сложными компетенциями, как понимание особенностей естественнонаучного исследования, умение научно объяснять явления, интерпретировать данные и использовать научные доказательства для получения выводов. При определении естественнонаучной грамотности авторы программы выходят за рамки названных компетенций, делая их широкое и — в значительной степени - культурологическое обобщение: «Естественнонаучная грамотность – это способность занимать активную гражданскую позицию по общественно значимым, связанным с естественными науками вопросам и готовность интересоваться естественнонаучными идеями» [3].

За школьным порогом не встретишь чисто биологическое, или чисто химическое явление, поэтому чрезвычайно важно формирование на уроках целостного мировосприятия и умения применять естественнонаучные знания для решения жизненных проблем. В связи с этим, нужно понять, как сделать процесс формирования естественнонаучной грамотности продуктивным и вместе с тем интересным для ребёнка.

Вследствие этого, в обучении необходимо использовать различные методики и приемы обучения. Большие возможности для этого представляют дисциплины «Химия» и «Биология».

Для более подробного и яркого представления материала, а также для прививания детям любви к данным предметам можно применять часто используемые в лабораториях и старшой школе (вузах) методы химико-биологического анализа. Самым простым и реализуемым без использования специального оборудования является аналитический метод анализа.

Разберем его подробнее и обозначим сферу применения.

Аналитическая химия – это наука, развивающая теоретические основы химического анализа веществ и материалов, разрабатывающая методы определения химического состава вещества и его структуры (строения) [4, 5].

Аналитическая химия является фундаментальной химической наукой, занимающей видное место в ряду других химических дисциплин. Являясь частью химии, аналитическая химия способствовала открытию многих законов: сохранения массы веществ, постоянства состава, эквивалентов, действующих масс и др. Состав различных материалов, изделий, руд, минералов, лунного грунта, далеких планет и других небесных тел установлен методами аналитической химии. Открытие целого ряда элементов Периодической системы (аргона, германия и др.) оказалось возможным благодаря применению точных методов аналитической химии.

В основе аналитической химии лежит химический анализ – совокупность действий, позволяющих идентифицировать качественный и количественный состав анализируемого объекта.

В соответствии с двусторонним характером решаемых задач аналитическую химию разделяют на две основные части: качественный и количественный анализ. Деление на качественный и количественный анализ в какой-то степени условно и традиционно. Задача качественного анализа – обнаружить, какие именно элементы или их соединения входят в состав анализируемого материала. Качественный анализ обычно предшествует количественному; цель последнего – найти количественные соотношения между компонентами, найденными при качественном исследовании.

При обнаружении какого-либо компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала: образование осадка, изменение окраски, выделение газа, появление линий в спектре и т. д. Для получения сигнала в аналитической химии используют химические реакции разных типов (кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексообразование), разные процессы, например, осаждение, а также разнообразные химические, физические и даже биологические свойства самих веществ или продуктов их реакций.

Реакции можно выполнять «мокрым» и «сухим» путем. Чаще применяют анализ «мокрым» путем. При этом исследуемый объект предварительно растворяют в воде, кислоте или щелочи. Если вещество нерастворимо, то его сплавляют, например, со щелочью, а затем уже полученный плав растворяют в воде или кислоте. Реакции, выполняемые «мокрым» путем, проводят преимущественно в пробирках, и результат реакции наблюдают визуально.

В качественном химическом анализе преимущественно имеют дело с водными растворами электролитов, поэтому аналитическими реакциями открывают образующиеся при диссоциации ионы. Для удобства обнаружения ионы делятся на аналитические группы. При объединении ионов в группы используют сходство или различие их свойств в отношении действия некоторых реактивов, называемых групповыми, различную растворимость образуемых ими соединений и другие признаки.

Методами количественного химического анализа устанавливают концентрации или количества составных веществ, а также в каких количественных соотношениях они находятся в исследуемом объекте.

Химические или, как их еще называют, классические методы анализа базируются на химических реакциях. В химических методах количественного анализа проводят химическую реакцию и измеряют либо массу полученного продукта (гравиметрия), либо затраченный объем реагента (титрометрия), что дает возможность судить о количестве определяемого вещества.

Применение методов аналитического анализа на уроках химии позволяет учащимся разбираться в химических реакциях, составлять и анализировать химические уравнения, а также проводить эксперименты и интерпретировать полученные результаты. Например, при изучении закона сохранения массы учащиеся могут использовать аналитический подход для анализа взаимодействия веществ и выявления изменений массы веществ до и после реакции. Биологические методы анализа основаны на том, что для жизнедеятельности живых существ необходима среда строго определенного химического состава. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма и количества, введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения и определения.

В биологии, методы аналитической химии позволяют учащимся разбираться в сложных биологических процессах, анализировать генетические структуры, строение клеток и организмов, а также проводить эксперименты и анализировать полученные данные. Например, при изучении генетики, учащиеся могут использовать аналитический подход для анализа генетических карт, определения фенотипических и генотипических свойств организмов, а также для предсказания результатов скрещивания.

Внедрение методов аналитической химии на данных уроках позволяет развивать у учащихся навыки критического мышления, логического анализа и системного подхода. Они могут применять эти навыки не только в учебных задачах, но и в реальной жизни, например, при принятии решений в области здравоохранения, экологии или пищевой безопасности.

Таким образом, формирование естественно-научной грамотности на уроках химии и биологии является важной задачей. Внедрение методов аналитической химии позволяет развивать у учащихся навыки критического мышления и системного подхода, что поможет им успешно ориентироваться в современном мире и принимать обоснованные решения.

Вашему вниманию, хотелось бы представить некоторые виды лабораторных и практических работ, которые без труда можно повторить в условиях школьной лаборатории [1].

Лабораторная работа №1 «Качественный анализ катионов и анионов»

Цель: изучить катионы металлов (Na­⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Ag⁺, Cu²⁺), катион аммония (NH₄⁺) и анионы кислотных остатков (SO₄^2-, CO₃^2-, Cl^-, I^-, S^2-, CH₃COO^-).

Методика проведения:

Обнаружение NH₄⁺: К 8-10 каплям раствора в пробирке прибавить 8-10 капель слабого раствора щелочи (2 нормального раствора) NaOH, нагреть и поднести к отверстию пробирки влажную индикаторную бумажку.

Обнаружение Mg²⁺: К 2-3 каплям прибавить 2-3 капли KOH.

Обнаружение Na⁺: Прокалить проволоку, внести в раствор соли (или сухую соль) (желательно не брать хлорид натрия), а затем в пламя спиртовки.

Обнаружение Ba²⁺: Каплю раствора перенести на предметное стекло, прибавить каплю раствора ацетата натрия и каплю раствора дихромата калия.

Обнаружение Ca²⁺: Прокалить проволоку, внести в раствор соли (или сухую соль) а затем в пламя спиртовки.

Обнаружение Ag⁺: К 2-3 каплям раствора нитрата серебра на предметном стекле прибавить 1-2 капли раствора хлорида калия.

Обнаружение Cu²⁺: К раствору соли добавить раствор щелочи.

Обнаружение SO₄^2-: К раствору сульфата прибавить раствор хлорида бария. Отфильтровать осадок и проверить его на растворение в кислотах.

Обнаружение CO₃^2-: К раствору карбоната натрия прибавить аккуратно разбавленный раствор серной кислоты.

Обнаружение Cl^-, I^-: К раствору хлорида натрия прибавить раствор нитрата серебра. Проделать тоже самое для иодида (можно еще применить бромид, при его наличии). Сравнить цвета осадков.

Обнаружение S^2-: К раствору сульфида прибавить раствор кислоты.

Обнаружение CH₃COO^-: К раствору ацетата натрия добавить раствор кислоты (подкислить) и влить раствор перманганата калия.

Вывод: Описать проведенные реакции, составить уравнения. Сделать выводы.

Лабораторная работа №2 «Количественный анализ витамина С во фруктах и овощах» (Дополнительно: при различных методах обработки)

Цель: Определить количество витамина С во фруктах и овощах, сравнить и выявить самый полезный из них.

Метод определения: Йодометрическое титрование.

Методика выполнения:

Анализ состоит из следующих этапов:

- приготовление растворов титранта (раствор йода) и индикатора (раствор крахмала);

- отбор проб;

- подготовка проб для анализа: взвешивание, очистка от кожуры, прямой ручной отжим, измерение объёма сока;

- титрование сока, запись результатов;

- обработка экспериментальных данных;

- обобщение результатов исследования.

Для проведения анализа используем аптечную настойку йода и бюретку для титрования (при ее отсутствии можно воспользоваться обычной стеклянной, Пастеровской (глазной) или одноразовыми пипетками).

Объем настойки, необходимый для приготовления 1 л 0,005М раствора J₂ выражается формулой:

V_{настойки} = 100·m_J2/(w_{настойки}·r_{настойки}),

где m_J2 – масса иода, необходимая для приготовления раствора (1,269 гр) w_{настойки} – концентрация иода в настойке, % масс.

r_{настойки} – плотность йодной настойки, г/мл

В учебных целях можно принять, что концентрация иода равна точно 5%, а плотность настойки -1 г/мл.

Тогда для приготовления 1 литра 0,005 М раствора J₂ необходимо:

V_{настойки} = 100·1,269 /(5·1) = 25,4 мл

Соответственно для приготовления 100 мл раствора иода нужно: 0,1·25,4 = 2,54 мл настойки.

Если под рукой нет мерной колбы, исходную настойку иода можно разбавить в 40 раз. Концентрация полученного раствора примерно соответствует 0,005 М. Конечно, результаты такого анализа будут приблизительными, но главное использовать для титрования один и тот же раствор – тогда результаты разных определений можно будет сопоставить между собой.

Для данного анализа не обязательно использовать дистиллированную воду – подойдет и кипяченная.

Приготовление раствора крахмала: к 1 гр крахмала добавляют немного воды, перемешивают до образования суспензии, которую медленно выливают в 200 мл кипящей воды (при активном перемешивании).

Бюретку заполнили раствором йода до нулевой отметки (При использовании пипетки – заполнили примерно до отметки 3 мл и начали титрование, тем самым установили «нулевое значение»). В коническую колбу для титрования (или стаканчик) с помощью пипетки добавили пробу сока и 0,5 мл раствора крахмала. Титровали раствором йода при энергичном перемешивании до появления синей окраски, не исчезающей в течение 20 секунд. Для каждого образца цитрусового было проведена серия, состоящая из трёх титрований. Ориентировочный расход титранта определяли с помощью предварительного титрования. Результаты предварительного титрования в расчёте не использовались.

Расчёт концентрации витамина С в пробах сока цитрусовых проводили по формуле:

С_{вит С} = C_J2·V_J2 /V_сок = 0,005·V_J2/V_сок,

где С_{вит С} - концентрация витамина С,

V_J2 - объем раствора йода, который пошел на титрование,

C_J2 - концентрация раствора йода,

V_сок - объем пробы сока.

На основании результатов трех параллельных определений концентрации витамина С в соке мы вычислили среднее значение:

С_{вит Сср} = (С_{вит С1} + С_{вит С2} + С_{вит С3})/3,

где С_{вит С1}, С_{вит С2}, С_{вит С3} - данные 1-го, 2-го и 3-го параллельных анализов соответственно,

С_{вит Сср} - среднее значение.

Далее мы произвели расчёт содержания витамина С в соке цитрусовых (мг/100 мл сока) по формуле:

m_{вит С} = С_{вит Сср} ·0.1· М(С₆H₈O₆) ·1000 = 17612·С_{вит Сср},

где М(С₆H₈O₆) молярная масса витамина С,

m_{вит С} - масса витамина С, мг/100 мл сока.

Выводы: Делаются относительно поставленной цели и задач, а также исследуемых объектов.

Список литературы:

1. Веколова В. В. «Аналитическая химия: Лабораторный практикум: учеб. пособие для студентов юридического факультета», МГОСГИ – Коломна: 2015. – 30 с.
2. Лакиза Н. В., Штин С. А. «Аналитическая химия» Учебно-методическое пособие URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/66719/1/978-5-7996-2539-9_2019.pdf (дата обращения: 23.10.2024).
3. Мамедов Н. М., Мансурова С. Е. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ ГРАМОТНОСТЬ КАК УСЛОВИЕ АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА К ЭПОХЕ ПЕРЕМЕН // Ценности и смыслы. 2020. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/estestvennonauchnaya-gramotnost-kak-uslovie-adaptatsii-cheloveka-k-epohe-peremen (дата обращения: 23.10.2024).
4. Харитонов Ю. Я. Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. Кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа: Учеб. для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2003. – 559 с.: ил.
5. Харитонов Ю. Я. Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. Кн. 1. Общие теоретические основы. Качественный анализ. Учеб. для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2003. – 615 с., ил.