Развитие инженерного мышления на уроках химии через моделирование и схематизацию

Автор: Ефимова Елена Георгиевна

Организация: МАОУ лицей 7 г. Томска

Населенный пункт: Томская область, г. Томск

Современное образование в настоящее время претерпевает глобальные изменения: традиционная передача знаний уступает место формированию компетенций. В эпоху четвертой промышленной революции, когда технологии развиваются стремительно, перед школой встает задача не просто обеспечить ученика теоретическими знаниями, а сформировать личность, способную мыслить системно, видеть проблемы комплексно и предлагать эффективные решения. Эти качества составляют суть инженерного мышления.

Химия как наука занимает уникальное положение. Она связывает физику микромира и технологии макромира. Она описывает невидимый мир атомов и молекул, квантовые процессы, но её законы лежат в основе создания реальных материалов - от полимеров до лекарств. Однако классическое преподавание химии часто страдает от избытка теоретического материала: обучающиеся заучивают формулы и типы реакций, не понимая, как применить эти знания на практике. Разрыв между абстрактной теорией и практическим воплощением становится главным барьером на пути к формированию инженерного мышления.

В данной статье рассматриваются эффективные способы преодоления этого разрыва. В качестве ключевых инструментов предлагаются моделирование и схематизация - два взаимосвязанных приема, позволяющих перевести химическое знание из плоскости символов в плоскость пространственных образов и логических конструкций, что напрямую соответствует природе инженерной деятельности.

Моделирование в контексте химического образования - это создание упрощенных копий реальных объектов (молекул, кристаллов, химических процессов), сохраняющих существенные свойства оригинала. Модели могут быть материальными (шаростержневые, компьютерные 3D-модели, модели аппаратов и установок из подручных средств) и мысленными (аналогии, мысленные эксперименты).

Схематизация - это процесс представления информации в виде условных графических образов, фиксирующих логические связи и отношения между элементами. Схемы позволяют сжать информацию, выделить главное и увидеть структуру целого.

Ниже представлены примеры использования приемов моделирования и схематизации на уроках химии.

Приемы моделирования.

Пример 1. Шаростержневое моделирование молекул органических веществ (10 класс).

При изучении органической химии, а именно темы «Углеводороды», обучающиеся сталкиваются с понятиями гибридизации, пространственного строения молекул, изомерии. Эти абстракции становятся наглядными, когда ученик сам конструирует шаростержневую модель простейших углеводородов – метана, этана, этена и этина.

Описание приема: учитель предлагает собрать модели, используя шары разного цвета (черные - углерод, белые - водород) и стержни-связи.

Что получает ученик в процессе сборки:

• физически ощущает разницу в длине связей (этин требует более коротких «соединений»);
• наблюдает линейное строение ацетилена против тетраэдрического метана;
• обнаруживает, что модель этана может вращаться вокруг одинарной связи (конформации), а этен - нет (двойная связь).

В чем заключается развитие инженерного мышления: ученик выступает не пассивным наблюдателем, а конструктором. Он понимает, что форма молекулы диктует её свойства (жесткость, реакционную способность). Это прямой выход на материаловедение: зная особенности строения полимерной цепи, можно предсказать свойства полимера.

Пример 2. «Химический конструктор: те же детали - новая модель» (8 класс, введение в химию)

Ученики 8 класса часто думают, что в процессе химической реакции «старое вещество исчезает, а новое появляется из ниоткуда». Это мешает понять закон сохранения массы веществ и энергии. Нужна яркая метафора, которая покажет: атомы - это детали, а молекулы - это постройки. В процессе химической реакции «постройка» разрушается, но детали остаются, и из них можно собрать новую «постройку».

Описание приема: учитель приносит в класс набор LEGO (достаточно 10-20 одинаковых кирпичиков одного цвета и размера, но можно использовать и разноцветные для разных «атомов»).

Этапы моделирования:

«Молекула исходного вещества». Учитель собирает из деталей одну устойчивую конструкцию - например, квадратную башню из 8 кирпичиков. «Это - молекула вещества А. Она целая, устойчивая, у нее есть свои свойства».

«Условия реакции». Учитель объявляет: «К башне «подвели» энергию (например, нагрели или добавили катализатор - можно просто хлопнуть в ладоши как сигнал)». Учитель разбирает башню на отдельные кирпичики.

Учитель раскладывает кирпичики на столе так, чтобы все они были видны. И ученики видели, что ни один кирпичик не исчез, ни один новый не появился. Просто разрушилась связь между ними.

«Молекула продукта». Учитель берет те же самые 8 кирпичиков и собирает из них другую конструкцию - например, длинную стену. «Это - молекула вещества Б. У нее другие свойства (она низкая вместо высокой, широкая вместо узкой). Но атомы - те же самые»

В чем заключается развитие инженерного мышления: ученик не заучивает формулировку, а физически убеждается: сколько деталей было до реакции - столько же осталось после. Это ключевая инженерная установка: в любой системе (химической, механической, термодинамической) ничего не берется из ниоткуда.

Обратимость и необратимость. Учитель может усложнить: «А можно ли из стены (продукта) снова собрать башню (исходное вещество)?» Если да - реакция обратима. Если нет (потому что в реальности выделился газ или выпал осадок), то нужно показать, что «одна деталь улетучилась в виде газа» - например, один кирпичик отдается соседней парте. Это модель необратимой реакции.

Пример 3. «Химический конструктор: стехиометрия в деталях» (8 класс, введение в химию).

Инженерная задача для учеников: учитель раздает небольшие наборы LEGO (каждой группе по 9 кирпичиков, один зелёный – атом углерода, четыре красных – атомы водорода, четыре синих – атомы кислорода). Задание: «У вас есть атомы-кирпичики. Соберите из них модель молекулы метана - CH₄. А теперь покажите, как эта молекула реагирует с кислородом - O₂. Разберите метан и кислород на отдельные «атомы», а затем из тех же деталей соберите углекислый газ - CO₂ и воду - H₂O». Учитель заранее говорит, сколько и каких деталей нужно для продуктов.

В чем заключается развитие инженерного мышления: пространственное мышление и стехиометрия. Чтобы из одних деталей собрать две разные молекулы, нужно мысленно перераспределить «атомы». Это прямой аналог расстановки коэффициентов в химических уравнениях. Ученик понимает: если для воды нужно 2 водорода и 1 кислород, то из 4 водородов и 2 кислородов получится не одна, а две молекулы воды. LEGO позволяет это буквально увидеть.

Пример 4. «Песочная буря в реакторе: танец кипящего слоя» (11 класс, изучение темы «Химическая кинетика и катализ»). Моделирование работы химического реактора с использованием «активированного песка». При изучении темы «Химическая кинетика и катализ» обучающиеся часто испытывают трудности с пониманием того, как физические параметры (степень измельчения твердой фазы, скорость потока реагентов, температура) влияют на скорость гетерогенной реакции. Предложенный прием позволяет создать наглядную физическую модель «кипящего слоя» в промышленном реакторе.

Описание приема: учитель приносит на урок прозрачную пластиковую бутылку с обрезанным дном (или воронку), засыпанную обычным песком. Через узкое горлышко вставляется трубочка от сока. Задача учеников - спроектировать и испытать модель реактора для максимально эффективного контакта газообразного реагента (воздух) с твердым реагентом (песок).

Этапы работы: исходная модель - обучающиеся пробуют просто продувать воздух через слой песка. Воздух с трудом проходит, реакция (если бы это был реальный процесс) шла бы медленно — это модель «плотного слоя».

Проблема: как улучшить контакт реагентов и ускорить контакт? Ученики выдвигают гипотезы. Одно из решений — увеличить скорость потока воздуха. При резком выдохе песок начинает «кипеть» - частицы приходят в движение, объем слоя увеличивается, песок становится более рыхлым. Это модель «кипящего слоя». Обучающиеся наблюдают: газ проходит через слой песка подобно жидкости, контакт газа с твердыми частицами становится интенсивным.

В чем заключается развитие инженерного мышления: данное моделирование является прямым аналогом реального процесса, используемого в нефтепереработке (каталитический крекинг), производстве серной кислоты (обжиг колчедана) и сжигании твердого топлива. Ученик понимает связь между физическим действием (скорость потока) и химической эффективностью (площадь контакта).

Приемы схематизации.

Пример 1. Алгоритмическая схема ОВР (8-11 класс)

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) - одна из самых сложных тем. Метод электронного баланса пугает учеников обилием операций.

Описание приема: учитель предлагает не просто решать, а составить пошаговую схему-алгоритм.

Шаг 1. Определить степени окисления.

Шаг 2. Найти элементы, изменившие степень окисления (подчеркнуть их).

Шаг 3. Записать процессы окисления (отдача электронов, степень окисления повышается) и восстановления (прием электронов, понижается).

Шаг 4. Найти наименьшее общее кратное (НОК) отданных и принятых электронов.

Шаг 5. Поставить коэффициенты в схему.

В чем заключается развитие инженерного мышления: схема — это технологическая карта. Ученик учится алгоритмизировать деятельность, разбивать сложную задачу на последовательность простых операций. Это навык, необходимый любому инженеру-технологу.

Пример 2. Кластерная схема «Классификация веществ» (8 класс)

В начале курса неорганической химии ученики знакомятся с классами веществ (оксиды, кислоты, основания, соли).

Описание приема: вместо линейного текста в тетради создается кластер - схема в виде грозди. В центре «Неорганические вещества», от него ветви: «Оксиды», «Кислоты», «Основания», «Соли». Каждая ветвь детализируется (например, оксиды: солеобразующие/несолеобразующие, основные/кислотные/амфотерные).

В чем заключается развитие инженерного мышления: кластер - инструмент системного анализа. Ученик учится структурировать информацию, видеть иерархию и связи. Это основа для системотехники - умения управлять сложными системами.

Пример 3. Кластерная схема «Денотатный граф» (8-11 класс, любая тема)

Описание приема: ученик читает текст, а после чтения составляет кластер. Выделяет ключевое слово или словосочетание. Составляет кластер по форме (пример ниже). Чередование имени и глагола в графе (именем может быть одно существительное или группа существительных в сочетании с другими именными частями речи; глагол выражает динамику мысли, движение от понятия к его существенному признаку). Важно подобрать точный глагол, который связывает ключевое понятие и его существенный признак (глаголы, обозначающие цель - направлять, предполагать, приводить, давать и т.д.; глаголы, обозначающие процесс достижения результата — достигать, осуществляться; глаголы, обозначающие предпосылки достижения результата - основываться, опираться, базироваться; глаголы-связки, с помощью которых осуществляется выход на определение значения понятия). По мере построения кластера происходит дробление ключевого слова на слова - «веточки»

В чем заключается развитие инженерного мышления: в данном случае ученик не просто структурирует информацию, а определяет логические связи в рамках заданной структуры.

Пример 4. Схемы технологических процессов (10-11 класс, профиль)

При изучении промышленных способов получения веществ (например, синтеза аммиака или серной кислоты) ученики анализируют схему производства (колонна синтеза — холодильник — сепаратор — циркуляционный насос).

Описание приема: учитель дает принципиальную схему с пропусками. Задача учеников: определить, какой аппарат выполняет какую функцию и почему нарушение последовательности (например, подача газа в сепаратор до охлаждения) приведет к аварии.

В чем заключается развитие инженерного мышления: формируется понимание процесса как системы взаимосвязанных элементов. Ученики анализируют обратные связи (рецикл непрореагировавшего газа) — ключевое понятие кибернетики и инженерии. Как верно отмечает инженер-практик, студенты должны учиться искать проблемные участки («бутылочные горлышки») в технологических схемах и предлагать пути их устранения .

Развитие инженерного мышления на уроках химии - это не дань моде, а стратегическая задача, стоящая перед школой в XXI веке. Традиционная знаниевая парадигма исчерпала себя. На смену ей приходит деятельностный подход, где центральное место занимают не готовые ответы, а инструменты поиска этих ответов — моделирование и схематизация.

Представленные примеры - лишь малая часть возможных приемов. Моделирование позволяет сделать невидимое видимым, превратить абстрактные атомы в осязаемые конструкции, а химическую реакцию — в управляемый процесс. Схематизация, в свою очередь, дисциплинирует мысль, приучает к алгоритмической точности, учит видеть логику сложных систем.

Использование этих приемов меняет роль учителя: он перестает быть единственным источником информации, превращаясь в навигатора, проектировщика образовательных ситуаций, в которых ученик добывает знание сам. Ключ к развитию инженерного мышления заключается в том, чтобы обучающиеся сами находили решения, сталкивались с реальными ограничениями и учились преодолевать разрыв между теорией и практикой. Именно такой подход, как показывают исследования и передовой опыт, позволяет воспитать не просто «знающего», а «мыслящего» выпускника - человека, способного ставить проблемы, находить нестандартные решения и создавать технологии будущего.

Моделирование и схематизация - те самые мосты, которые позволяют перейти от школьной формулы к инженерному проекту.

Список литературы

1. Габриелян, О.С. Старт в химию / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, А.К. Ахлебинин // «Химия». – 2006. – № 3(698).

2. Завальцева, О.А. Использование интерактивных и цифровых технологийв обучении химии / О.А. Завальцева, О.С.Мишина, О.В. Коротков // Проблемы современного педагогического образования. – 2023. – № 81(2).

3. Зуев П.В., Кощеева Е.С. Развитие инженерного мышления обучающихся в процессе обучения // Педагогическое образование в России. 2016. № 6. С. 44 49.

4. Каримов, М.Ф. Образовательные траектории будущих химиков, физиков и математиков в пятимерном пространстве информационного моделирования действительности / М.Ф. Каримов // Башкирский химический журнал. – 2012. – Т. 19.

5. Лебедева Т.Н. Инженерное мышление: определение и состав его компонентов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 4-3.

6. Медных Ж. Н., Елисеева Е. А., Горячева В. Н., Толетова М. К., Шаталов М. А. Опорные схемы в учебном процессе // Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена. — 2024.

7. Панарина О. А. Молекулярное моделирование углеводородов: Методическая разработка. — Ханты-Мансийск: Югорский физико-математический лицей-интернат, 2023.

8. Ребро И.В., Мустафина Д.А., Рахманкулова Г.А. и др. Формирование инженерного мышления в процессе организации профессиональной ориентации у школьников // Современные проблемы науки и образования. 2019. № 3.

9. Усарова С. О., Джапарова Ш. Составление и применение учебных конспект-схем в обучении органической химии в технологических вузах // Бюллетень науки и практики. — 2025. — Т. 11. — № 1.

10. Фарус, О.А. Использование различных видов моделирования в школьном курсе химии / О.А. Фарус, Е.С. Лавренина // Вопросы педагогики. – 2021. – № 4(1).