Одной из форм активизации учащихся при изучении химии экспериментальным методом является применение гипотез. Воспитательное и образовательное значение гипотез в проведении учебного эксперимента состоит в том, что они возбуждают и поддерживают интерес к предмету, стимулируют развитие научного воображения и мышления, знакомят учащихся с методом и приемами добывания знаний в науке, развивают умение предвидеть явления, творчески пользоваться знаниями.

Самостоятельное выдвижение учащимися гипотез и конструирование опытов возможно лишь спустя некоторое время после начала изучения химии, когда будут накоплены некоторые знания и опыт их добывания. Но наступление периода самостоятельного выдвижения учащимися гипотез можно ускорить, если предварить его периодом, когда учитель в ходе изложения учебного материала знакомит учащихся с тем, как в истории науки выдвигались, обосновывались и проверялись гипотезы, или сам выдвигает гипотезы для объяснения наблюдавшихся фактов.

На отдельных примерах разъясним методику выдвижения Учителем гипотез и экспериментальной проверки их.

После изучения кислорода в VII классе учитель сообщает Учащимся, что им предстоит ознакомиться с составом воздуха.

Гак как в воздухе горят многие из тех веществ, что горят в кислороде (сера, уголь, фосфор и др.), то можно высказать предположение, что в воздухе содержится кислород. Если это предположение правильно, то при сжигании горючих веществ в воздухе должны быть получены те же продукты, что и при сжигании в кислороде, т. е. при сжигании серы — сернистый газ, угля — углекислый газ, фосфора — фосфорный ангидрид (следствия из гипотезы). Чтобы убедиться в том, что эти продукты действительно получаются, надо проделать соответствующие опыты. Демонстрация этих опытов учителем подтверждает, что в воздухе содержится кислород (экспериментальная проверка гипотезы).

Но в воздухе тела горят менее энергично. Отчего это происходит? Здесь могут возникнуть два предположения (постановка гипотез):

1) или воздух есть смесь газов, в которой наряду с кислородом содержатся еще какие-то газы, не поддерживающие горения и тем самым ослабляющие его;

2) или воздух есть сложное вещество, в состав которого входит кислород, легко соединяющийся при горении с горящим веществом.

Если правильным является первое предположение, то тогда (следствия):

1) кислород составляет какую-то часть воздуха;

2) остальная часть воздуха состоит из других газов, не поддерживающих горения;

3) если бы удалось выделить из воздуха отдельно кислород и не поддерживающие горения газы и затем вновь смешать их, то должен получиться воздух и при этом не должно наблюдаться никаких признаков химических реакций (ни выделения теплоты, ни выделения света, ни образования твердых веществ и т. д.).

Если правильно второе предположение, то тогда (следствие) после отделения из воздуха кислорода также должны оставаться газы, не поддерживающие горения, но при обратном смешении их с кислородом должна происходить химическая реакция и, стало быть, должны- наблюдаться какие-нибудь сопровождающие ее внешние явления.

Очевидно, только эксперимент может доказать правильность первого или второго предположения.

Полезно рассказать о том, что все эти вопросы в свое время (конец XVIII в.) встали перед А. Лавуазье. Ему было известно, что при умеренном нагревании ртути в воздухе образуется окись ртути. Когда Пристли сообщил А. Лавуазье о том, что при более сильном нагревании окиси ртути выделяется кислород, А. Лавуазье выдвинул гипотезу, что воздух есть смесь газов. С помощью ртути, рассуждал он, можно будет отделить кислород от газов, не поддерживающих горения. Если при смешении кислорода с этими не поддерживающими горение газами не будет наблюдаться никаких признаков химической реакции, то тогда предположение о том, что воздух есть смесь газов, подтвердится. Так создалась идея двенадцатидневного опыта.

Далее учитель рассказывает, как был произведен двенадцатидневный опыт и как он подтвердил, что воздух есть смесь газов, в которой кислороду принадлежит по объему приблизительно 1/5 часть, а азоту — 4/5 части.

Анализ состава воздуха теперь можно произвести быстрее и проще. Учитель показывает опыт сжигания фосфора в закрытой склянке. После опыта склянка до 1/5 объема заполняется водой. Остаются газы, не поддерживающие горения. Смещение этих газов с кислородом не сопровождается химической реакцией (демонстрация). Следовательно, воздух есть, смесь кислорода с газами, не поддерживающими горения. Пропусканием воздуха через известковую воду обнаруживается содержание в нем углекислого газа. Таким образом, воздух есть смесь кислорода, азота, углекислого газа (об инертных газах говорить пока преждевременно).

Из приведенного примера видно, как учитель выдвигает гипотезы, рассматривает вытекающие из них следствия, ищет способы экспериментального подтверждения гипотез, знакомит с применением гипотез в исследованиях ученых, развивает пытливость учащихся.

Но вот некоторые знания и опыт накоплены. Возникает возможность предлагать учащимся самостоятельно выдвигать гипотезы, разрабатывать вытекающие из них следствия, находить формы экспериментального подтверждения или опровержения их, производить эксперименты и, таким образом, проверять свои гипотезы.

На примере изучения коррозии железа покажем, как это делать (опыт нашего преподавания химии в VII классе 657-й школы Москвы).

Сначала учащимся было предложено высказаться, в каких условиях железо ржавеет, а в каких не ржавеет:

1. «Если железные предметы лежат в сыром месте, то они ржавеют».

«Я как-то наблюдал, что летом после дождя рельсы на железной дороге очень быстро покрылись ржавчиной».

2. «Железные предметы не ржавеют, если их держать в сухом месте. Вот у нас столовые ножи и вилки лежат возле печки».

3. «Если смазать железные предметы машинным маслом или тавотом, то они не ржавеют. Я видел, как раскрывали станки, привезенные на завод. Все части были смазаны тавотом».

«А мне как-то купили коньки. Они были смазаны тоже маслом. Это, чтобы не ржавели».

«Вот если покрасить железо масляной краской, то оно не ржавеет. Железные крыши домов красят, чтобы они не ржавели».

«Еще железо никелируют и хромируют, чтобы не ржавело».

«Ведра и корыта часто делают из оцинкованного железа. Это тоже для того, чтобы они не ржавели».

Выслушав все эти суждения учащихся, учитель предлагает высказаться, что же можно считать причиной ржавления:

«Причиной ржавления является сырость, влага».

«Причиной ржавления является воздух».

«Причиной ржавления являются и воздух, и влага».

«Причиной ржавления являются кислород воздуха и влага, если они вместе действуют на металл».

Далее учитель предлагает учащимся обосновать свои предположения:

«В сырых местах железные предметы ржавеют, в сухих не ржавеют. Значит, влага—причина ржавления».

«Если железные инструменты смазать маслом, они не ржавеют Масло не допускает воздух к железу».

«Но масло не допускает и влагу к железу, поэтому, может быть, тут железо не ржавеет потому, что влага не доходит до него».

«А вот мне кажется, что кислород окисляет железо при ржавлении. Кислород участвует в образовании ржавчины. В кислороде железо даже горит. Кислород воздуха вместе с влагой — причина ржавления».

«Но ведь при горении железа в кислороде получается темно-серое вещество, а ржавчина — вещество темно-бурое».

Выслушав все эти суждения учащихся, учитель делает замечание, что одних наблюдений недостаточно, чтобы обосновать правильность или ложность высказанных предположений. Как же тут поступить? Ученики сразу отвечают, что надо проделать опыты. Учитель предлагает продумать вопрос о том, какие опыты поставить, чтобы доказать правильность или ложность выдвинутых предположений. Учащиеся предлагают опыты. Каждый опыт тщательно разбирается.

Опыт 1. «В пробирку опустить железные гвозди. Налить пробирку водой и заткнуть пробкой. Если железо будет ржаветь, значит, вода — причина ржавления».

«Т. забыл, что в воде всегда растворен воздух. Поэтому этот опыт не даст возможности сделать вывод, что вода — причина ржавления. Надо из воды удалить воздух. Для этого воду надо хорошенько прокипятить».

«А разве после остывания в кипевшей воде воздух опять не растворится?»

«Тогда после кипячения воды надо на поверхность ее налить машинного масла».

«А в машинном масле воздух разве не растворяется?»

После обсуждения предложенного опыта и разъяснения учителем вопроса о растворимости воздуха в машинном масле принимается такой план постановки опыта (конструирование опыта): вода кипятится в колбе, затем кипяток наливается в пробирку почти доверху, туда же опускается вычищенная полоска железа, вода еще раз нагревается до кипения, на поверхность воды наливается машинное масло, пробирка закрывается пробкой. Опыт должен выяснить роль воды при ржавлении железа.

Опыт 2. «Чтобы выяснить роль воздуха при ржавлении железа, надо в пробирку с сухим воздухом положить чистую полоску железа, хорошенько заткнуть пробкой и оставить на некоторое время». Опыт не вызывает возражения и сразу принимается.

Опыт 3. «То, что ржавление происходит от воды и от кислорода воздуха одновременно, можно узнать на таком опыте. В пробирку вложить чистую согнутую проволочку, но так, чтобы она не выпадала из пробирки. Перевернуть пробирку вверх дном и опустить в стакан с водой. Вода должна немного проникнуть в пробирку. Теперь надо укрепить пробирку в держателе штатива и отметить уровень воды в ней. Если через несколько дней проволока заржавеет, а вода поднимется и займет 1/5 часть объема, что занимал воздух, то это значит, что вода и кислород воздуха — причина ржавления. Это такой же опыт, как мы делали, чтобы узнать состав воздуха, только колокол заменяется пробиркой».

Таким путем разрабатываются и следствия из гипотез и конструируются подтверждающие их опыты. Все три опыта ставятся учителем с группой учащихся после уроков и затем ежедневно производится наблюдение. Выясняется, что ни одна влага, ни один воздух не вызывают ржавления и что для ржавления железа нужно присутствие и влаги, и воздуха одновременно. Выясняется также, что в ржавлении железа участвует кислород воздуха. Азот в ржавлении железа участия не принимает.

После изучения общих свойств и способов получения окислов, кислот, оснований и солей, периодического закона, периодической системы, строения атомов и ионной теории, а позднее структурной теории, т е. по мере накопления химических знаний, все более расширяется возможность применения гипотез в конструировании опытов. Эту возможность, разумеется, следует широко использовать.

Так, после ознакомления учащихся с периодической системой Д. И. Менделеева и строения атомов изучение каждого элемента начинается с предсказания химических реакций его, исходя из положения элемента в системе и строения его атомов. Затем эти реакции подтверждаются по возможности экспериментальным путем и истолковываются уже более глубоко, чем в VII и VIII классах.

Применение гипотез вызывает большую затрату времени, чем обычное изложение учебного материала, и поэтому данным методом надо пользоваться в меру. Если ежегодно учитель несколько раз применит самостоятельное выдвижение учащимися гипотез, анализ их, разработку следствий и экспериментальную проверку их, то это будет уже большим вкладом в развитие научного мышления учащихся и в ознакомление их с одной из форм развития химической науки — с гипотезой.