Особенности подходов к решению химико-экологических исследовательских и экспериментальных задач в основном и дополнительном естественно-научном образовании

Одним из подходов к развитию у учащихся навыков исследовательской деятельности является обучение их решению исследовательских задач. В этом случае подготовка к самостоятельному ведению исследовательской деятельности проходит на задачной основе, и исследовательская задача становится единицей учебной деятельности. По определению В. В. Успенского, исследовательская задача – это «такие вопросы и задания учителя или вопросы, вытекающие из личных познавательных побуждений ученика, которые вызывают его активную творческую познавательную деятельность, направленную на решение познавательных проблем, на самостоятельное открытие, осуществляемое путём постановки опытов, сбора фактов, анализа и обобщения знаний. Наличие поисковой ситуации, требующей от учащегося самостоятельного разрешения, обоснования и доказательства, является главным признаком исследовательской задачи».

Главное отличие исследовательской задачи от обычной заключается в отсутствии какого бы то ни было алгоритма её решения, а также в максимальной самостоятельности учащихся при её решении.

Химико-экологические исследовательские задачи – это задачи с глубоким подтекстом, тесно связанные с окружающей действительностью, обладающие межпредметностью и представляющие для учащегося субъективную, естественно-научную ценность. Поэтому при выборе проблематики и последующей формулировке исследовательской задачи учитель действует так, чтобы учащиеся могли принять активное участие в этих процессах.

Как правило, химико-экологическая исследовательская задача представляет собой многокомпонентное задание для учащегося и имеет следующие характеристики:

• совместное построение учениками и учителем на основе опорной (ключевой) задачи из основной учебной программы по химии с привнесением экологических аспектов в предмет исследования;
• варьирование учителем уровня сложности, позволяющее применять такие задачи для обеспечения индивидуализации и дифференциации обучения;
• создание учащимися плана исследования заданного объекта окружающей среды, предусматривающего в дальнейшем их вариантную самостоятельную деятельность;
• сбор теоретического материала, конкретизирующего состояние данного объекта и необходимого для решения задачи;
• проведение учащимися под руководством учителя эксперимента (лабораторной работы) по определению конкретного показателя, получение количественного результата, в том числе с использованием специального лабораторного оборудования;
• совместное с учителем определение рациональной организации вычислений, необходимых для решения данной задачи, в том числе с использованием вычислительной техники;
• вывод об экологическом состоянии объекта на основе анализа теоретического материала и собранных экспериментальных данных.

В химико-экологическом проблемном поле может быть сформирован целый перечень исследовательских задач, требующих аналитико-экспериментальной работы учащихся, которая, в свою очередь, может послужить основой для интересных инженерно-технических и химико-технологических решений.

Варианты решения исследовательских задач

Практика естественно-научного образования в основной и средней школе предлагает два возможных варианта решения химико-экологических исследовательских задач: коллективный мини-проект на уроке и выполнение учащимся длительного самостоятельного исследования в рамках выпускного индивидуального проекта в 9 или 11 классе. При выполнении мини-проекта на уроке формулировка исследовательской задачи может быть тождественна её цели, а важнейшей составляющей учебной деятельности является химический эксперимент. Для этого целесообразно систематически предлагать учащимся для решения различные по своей тематике и сложности исследовательские задачи, представляющие собой модель проблемной ситуации, решение которой невозможно без практических действий на основе знания законов, теорий и методов химии с последующим обоснованием выводов на основе полученных результатов.

Экспериментальные задачи позволяют решать образовательные задачи школьного курса химии, связанные с межпредметной, естественно-научной и политехнической подготовкой учащихся. Их систематическое включение в базовый образовательный курс на уроках возможно не только во время лабораторных работ, но и на всех этапах обучения химии, включая объяснение, закрепление, обобщение, повторение, а также текущий и итоговый контроль знаний.

В условиях реализации индивидуальной проектной работы при решении исследовательской задачи ученик не только расширяет и углубляет свои знания по химии и другим естественно-научным дисциплинам, но и совершенствует умения в применении научно-методического исследовательского инструментария (технологии и методики выполнения различного рода определений и анализов) применительно к решению реальных экологических проблем. Формулировка экспериментальной задачи как части исследования, направленной на получение натурной доказательной базы, может быть тождественна формулировке гипотезы.

Этапы решения исследовательских экспериментальных задач:

• предоставление необходимой информации;
• выявление проблемной зоны;
• составление темы исследования (формулировка условия исследовательской задачи);
• прочтение и анализ условия;
• установление пути теоретического решения;
• формулировка экспериментальной задачи;
• подбор необходимого инструментария для решения экспериментальной задачи;
• проведение эксперимента с соблюдением правил техники безопасности;
• получение количественных результатов;
• проведение расчётов;
• формулировка выводов.

Пример работы над составлением исследовательской и экспериментальной химико-экологической задачи и создания условий для её решения

1. Предоставление информации

Например: кислотность воды характеризуется значением водородного показателя (рН), который является безразмерной величиной и измеряется в пределах от 0 до 14 (от 0 до 7 – кислая среда, 7 – нейтральная, от 7 до 14 – щелочная среда). Определяют значение рН с использованием индикаторов, изменяющих свой цвет в зависимости от кислотности среды. Для природных вод рН обычно имеет значения от 6,5 до 8,5. Кислотность природной воды может определяться характером почвогрунтов, ландшафта, в котором расположен источник. Изменение рН природной воды сверх допустимых значений может быть вызвано загрязнением воздуха вредными веществами, которые с осадками попадают в водоём, или промышленными сточными водами, что делает водную среду непригодной для существования большинства водных организмов.

2. Формулировка условия исследовательской задачи

Например: выявите возможность бурения скважины для питьевой воды в районе болотистых плавней и лугов участка «Кизлярский залив» на берегу Каспийского моря.

3. Формулировка экспериментальной задачи как части исследования

Например: предоставлены три ёмкости с пробами воды из разных открытых источников: болотистые плавни, поверхностная морская вода Каспийского моря, артезианская природная вода. С помощью характерных реакций определите, из какого источника отобрана проба воды в каждой пробирке.

4. Подбор инструментария, требуемого для проведения эксперимента

Например: эксперимент может выполняться с применением учебно-лабораторного оборудования ЗАО «Крисмас+», а именно: либо специального модуля школьной химико-экологической лаборатории (ШХЭЛ) – «рН», либо тест-системы «рН-тест», либо тест-комплекта «рН» или мини-экспресс-лаборатории «Пчёлка-У».

Подходы к решению исследовательских задач в дополнительном образовании

В системе дополнительного образования исследовательские экспериментальные задачи находят применение в двух основных форматах. С одной стороны, они служат темами для проектных работ, представляемых на конференциях разного уровня. С другой – становятся основой для прикладных олимпиадных и конкурсных заданий, которые не имеют готового решения и требуют экспериментальной проверки.

Ярким примером такого подхода служит Междисциплинарный командный турнир «Я-профи!», который проводится в Санкт-Петербурге. Его цели – профильное и предпрофильное обучение, развитие интеллектуального творчества, а также профориентация школьников на естественно-научную сферу и экологию. Турнир, организуемый ГБОУ СОШ №77 с углубленным изучением химии, ИМЦ Петроградского района, СПБ АППО им. К.Д. Ушинского и ЗАО «Крисмас+», успешно сочетает теорию и практику.

В ходе теоретического этапа команды представляют решения исследовательских задач, отстаивают их в полемике и оценивают работу соперников. Выступления участников оценивает компетентное жюри.

Команды, прошедшие на экспериментальный (практический) этап, получают текст экспериментальной задачи, тематически и профессионально связанной с исследовательским теоретическим заданием. Решение такой задачи является своего рода профессиональной пробой.

Пример турнирной задачи «Эй, вы, там, На дне!» 2025 года:

На дне водоёмов происходит образование донных отложений, состав которых будет зависеть от окружающей среды. Как вы считаете, какими методами можно проанализировать такие отложения? Кто этим занимается? Если сравнить отложения на дне водоёма, расположенного в глухом лесу и не подвергающегося воздействию людей, и отложения водоёма, на берегу которого стоит крупный город, то какие отличия в них будут?

ЗАО «Крисмас+» – генеральный спонсор турнира – предоставляет участникам необходимое учебно-лабораторное оборудование, карту-инструкцию по выполнению эксперимента и критерии оценки. Отчеты о проведении эксперимента и фотографии с изображением работы членов команды передаются экспертам для принятия решения по выбору победителя.

Совокупность подходов к использованию исследовательских экспериментальных задач в образовательном процессе естественно-научной и экологической направленности позволяет образовательным учреждениям систем основного и дополнительного образования добиваться высоких предметных, метапредметных и личностных результатов у обучающихся.

Ключевые слова и словосочетания: метапредметность, исследовательская задача, экспериментальная задача, проектная деятельность, урочная деятельность, проблемные зоны.