Chương 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
2.2. Một số biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán hóa học cho học
2.2.10. Rèn luyện kĩ năng tư duy hóa học
Với tư duy toán thì 1 + 2 = 3, A + B = A∪B. Nhưng với tư duy hóa học thì A + B không phải là phép cộng thuần túy của toán học, mà là xảy ra sự biến đổi nội tại của các chất để tạo thành chất mới, theo những nguyên lý, quy luật, những mối quan hệ định tính và định lượng của hóa học.
Cơ sở của tư duy hóa học là sự liên hệ quá trình phản ứng sự tương tác giữa các tiểu phân vô cùng nhỏ bé của thế giới vi mô (nguyên tử, phân tử, ion, electron, ...).
Đặc điểm của quá trình tư duy hóa học là sự phối hợp chặt chẽ, thống nhất giữa những hiện tượng cụ thể quan sát được với những hiện tượng cụ thể không quan sát được, ngay cả khi dùng kính hiển vi điện tử, mà chỉ dùng kí hiệu, công thức để biểu diễn mối liên hệ bản chấtcủa các hiện tượng nghiên cứu.
Cũng giống như tư duy khoa học tự nhiên, toán học và vật lý, tư duy hóa học cũng sử dụng các thao tác tư duy vào quá trình nhận thức thực tiễn và tuân theo quy luật chung của quá trình nhận thức:
Trực quan sinh động → Tư duy trừu tượng → Thực tiễn .
Như vậy rèn luyện kĩ năng tư duy hóa học là bồi dưỡng cho học sinh biết vận dụng thành thạo các thao tác tư duy và phương pháp logic như phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa và ba phương pháp hình thành những phán đoán mới: suy lí quy nạp, suy lí diễn dịch và suy lí tương tự.
2.2.10.1. Phân tích và tổng hợp
- Phân tích: Là hoạt động tư duy tách các yếu tố bộ phận của sự vật, hiện tượng nhằm mục đích nghiên cứu chúng một cách đầy đủ, trọn vẹn theo hướng nhất định.
Tổng hợp: Là hoạt động tư duy kết hợp các bộ phận, yếu tố đã được phân tích để nhận thức, để nắm được cái toàn bộ của sự vật, hiện tượng. Để hiểu đầy đủ các nhóm nguyên tố phải dựa trên kết quả tổng hợp của việc phân tích nghiên cứu đặc điểm cấu tạo cũng như tính chất của từng nguyên tố cụ thể.
Kết quả của quá trình nhận thức là hoạt động cân đối và mật thiết giữa phân tích và tổng hợp. Sự phân tích sâu sắc, phong phú là điều kiện quan trọng để tổng hợp được chính xác, trọn vẹn, ngược lại tổng hợp sơ bộ tạo tiền đề quan trọng cho sự phân tích.
Chẳng hạn để giải một bài toán hóa học, đầu tiên HS phải phân tích các dữ kiện của đề
bài, xác định xem từ mỗi dữ kiện suy ra được điều gì,…Sau đó tổng hợp các dữ kiện để thấy được sự liên hệ giữa chúng mà đề ra được phương pháp giải thích hợp.
- Thí dụ: Để giải bài toán “Đốt cháy hoàn toàn m gam este X, thu được 0,06 mol CO2 và 0,06 mol H2O. Mặt khác m gam este X tác dụng vừa đủ với 150 ml dung dịch NaOH 0,1M. Tìm công thức phân tử của X.” GV hướng dẫn HS phân tích từng dữ kiện như sau:
Thứ nhất, dữ kiện phản ứng cháy, đó là số mol CO2 bằng số mol H2O => X là este no, đơn chức, mạch hở. Thứ hai, dữ kiện phản ứng xà phòng hóa giúp ta tìm được số mol của este. Tổng hợp hai dữ kiện trên ta suy ra được cách giải công thức phân tử este X, đó là tìm số nguyên tử cacbon.
2.2.10.2. So sánh
- So sánh: Là thiết lập sự giống nhau và khác nhau giữa các sự vật, hiện tượng và giữa những khái niệm phản ánh chúng.
Ở đây, có hai cách phát triển tư duy so sánh:
+ So sánh liên tiếp (tuần tự): Trong giảng dạy hóa học thường dùng phương pháp này khi HS tiếp thu kiến thức mới. So sánh với kiến thức đã học để HS hiểu sâu sắc hơn.
+ So sánh đối chiếu: Nghiên cứu hai đối tượng (hai chất, hai phản ứng, hai phương pháp …) cùng một lúc trên cơ sở phân tích từng bộ phận để đối chiếu với nhau.
- Thao tác so sánh phải kèm theo sự phân tích và tổng hợp. Chẳng hạn, phân tích tính chất của một chất, một hiện tượng hay khái niệm, đối chiếu với những điều đã biết về những đối tượng cùng loại, rồi sau đó tổng hợp lại xem các đối tượng cùng loại đó giống nhau và khác nhau chỗ nào. Có thể nói so sánh các chất, các hiện tượng là phương pháp tư duy rất hiệu nghiệm nhất là khi hình thành khái niệm. So sánh cũng là hoạt động tư duy thường xuyên trong việc giải BTHH. Không phải tự nhiên HS đã biết so sánh, phải tập luyện cho các em. Cần dạy cho HS so sánh các chất, các nguyên tố và phản ứng hóa học theo cùng một dàn ý như khi nghiên cứu chúng, tìm ra những nét giống nhau và khác nhau trong từng điểm một. Từ đó áp dụng vào các bài toán để tăng cường vận dụng và rèn luyện thao tác tư duy này.
- Thí dụ: Để giải bài toán: “Có 2 thí nghiệm:
+ Thí nghiệm 1: Hấp thụ hết a mol CO2 vào dung dịch chứa b mol Ca(OH)2
được 20 gam kết tủa.
+ Thí nghiệm 2: Hấp thụ hết 2a mol CO2 vào dung dịch chứa b mol Ca(OH)2
được 30 gam kết tủa. Tìm giá trị của a và b.” GV hướng dẫn HS như sau:
Với bài toán CO2 tác dụng với dung dịch Ca(OH)2, điều đầu tiên cần phải xác định phản ứng tạo muối gì, kết tủa có tan hay không. Để biết được điều này cần so sánh lượng kết tủa ở hai thí nghiệm. Rõ ràng ở cả hai thí nghiệm, lượng Ca(OH)2
giống nhau nhưng ở thí nghiệm 2 khi lượng CO2 nhiều hơn thì lượng kết tủa tăng lên, chứng tỏ ở thí nghiệm 1 kết tủa chưa tan. Như vậy trong bài toán này nhờ so sánh kèm theo sự phân tích mà làm rõ được mức độ phản ứng của các chất.
2.2.10.3. Khái quát hóa
- Khái quát hóa: Là tìm ra những cái chung và bản chất trong số những dấu hiệu, tính chất và những mối liên hệ giữa chúng thuộc về một loại vật thể hoặc hiện tượng.
Chẳng hạn, axit clohidric, axit sunfuric, axit nitric đều có gốc axit liên kết với nguyên tử hidro (hoặc ion H+), đều làm đỏ quỳ tím, đều tác dụng với kim loại… Dấu hiệu “có ion H+” là chung và bản chất, các dấu hiệu khác cũng là chung nhưng không phải bản chất. Khái quát hóa là thao tác tư duy hết sức cần thiết trong việc giải bài toán hóa học.
Bởi nó giúp cho người giải phát hiện được các dữ kiện quan trọng từ các chất, các phản ứng, các hiện tượng ...
- Thí dụ: GV cho HS rèn luyện khả năng khái quát hóa qua bài toán: “Hỗn hợp khí X gồm C2H6, C3H6 và C4H6. Tỉ khối của X so với H2 bằng 24. Đốt cháy hoàn toàn 0,96 gam X trong oxi dư rồi cho toàn bộ sản phẩm cháy vào dung dịch Ba(OH)2 dư, sau phản ứng thu được bao nhiêu gam kết tủa?”
Trong bài toán trên, ba chất trong hỗn hợp X có một số dấu hiệu chung: đều chứa C và H, đều cháy cho sản phẩm CO2, H2O, đều là chất khí, đều có 6 nguyên tử hidro.
Trong đó, dấu hiệu “có 6 nguyên tử hidro” là chung và bản chất, vì vậy có thể đặt công thức chung của các hidrocacbon là CxH6. Từ đó giúp việc giải bài toán dễ dàng hơn.
Để hình thành và phát triển cho HS những khái quát hóa đúng cần đảm bảo điều kiện sau đây:
+ Làm biến thiên những dấu hiệu không bản chất của vật hay hiện tượng khảo sát, đồng thời giữ không đổi dấu hiệu bản chất. Thí dụ, khi cho HS tìm hiểu khái niệm oxit axit, GV cần đưa ra nhiều loại thí dụ như SO2, CrO3. Nếu chỉ đưa ra một loại thí dụ như SO2, NO2, CO2thì HS sẽ tự rút ra một khái quát hóa sai lầm khi cho rằng “oxit axit là oxit có chứa hai nguyên tử oxi hoặc oxit axit là oxit của nguyên tố phi kim”.
+ Chọn sự biến thiên hợp lí nhất nhằm nêu bật được dấu hiệu bản chất (luôn luôn tồn tại) và trừu tượng hóa dấu hiệu thứ yếu (biến thiên). Chẳng hạn trong trường hợp trên chọn sự biến thiên hợp lí nhất đó là oxit axit là những oxit tác dụng với dung dịch bazơ tạo thành muối và nước.
+ Có thể sử dụng những cách biến thiên khác nhau có cùng một ý nghĩa tâm lý học, nhưng lại hiệu nghiệm.
+ Phải cho HS tự mình phát biểu được thành lời nguyên tắc biến thiên và nêu lên đặc tính của những dấu hiệu không bản chất.
Ngoài việc đảm bảo những điều kiện trên đây, GV cần rèn luyện cho HS phát triển tư duy khái quát hóa bằng những hình thức quen thuộc như lập dàn ý, xây dựng kết luận và viết tóm tắt nội dung các bài, các chương của tài liệu giáo khoa.
2.2.10.4. Suy lí quy nạp
Suy lí quy nạp hay phép quy nạp là cách phán đoán dựa trên sự nghiên cứu nhiều hiện tượng, trường hợp đơn lẻ để đi tới kết luận chung, tổng quát về những tính chất, những mối liên hệ tương quan bản chất nhất và chung nhất. Ở đây sự nhận thức đi từ cái riêng biệt đến cái chung. Chẳng hạn dựa trên nhiều PTHH đơn lẻ của các phản ứng như:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ba + 2H2O → Ba(OH)2 + H2
sẽ rút ra nhận xét chung là số mol ion OH- luôn gấp đôi số mol khí H2 sinh ra mà không phụ thuộc vào hóa trị của kim loại.
Phép quy nạp có ý nghĩa to lớn vì nó giúp cho kiến thức được nâng cao và mở rộng. Trong việc giải bài toán hóa học, sử dụng phép quy nạp sẽ giúp cho HS xây dựng được nhiều công thức tính toán liên quan đến các chất.
2.2.10.5. Suy lí diễn dịch
Suy lí diễn dịch hay phép suy diễn là cách phán đoán đi từ một nguyên lí chung đúng đắn tới một kết luận thuộc về một trường hợp riêng lẻ đơn chất. Chẳng hạn dựa vào định luật bảo toàn khối lượng để giải một bài toán cụ thể.
Phép suy diễn có tác dụng lớn làm phát triển tư duy logic và phát huy tính tự lập sáng tạo của HS. Đây là điều hết sức cần thiết để nâng cao năng lực giải các bài toán khó.
Thí dụ: (Đề thi TSĐH khối B – 2008)
Cho một lượng bột Zn vào dung dịch X gồm FeCl2 và CuCl2. Khối lượng chất rắn sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn nhỏ hơn khối lượng bột Zn ban đầu là 0,5 gam. Cô cạn phần dung dịch sau phản ứng thu được 13,6 gam muối khan. Tổng khối lượng các muối trong X là
A. 13,1 gam. B. 17,0 gam. C. 19,5 gam. D. 14,1 gam.
Hướng dẫn giải:
Theo định luật bảo toàn khối lượng ta suy diễn rằng khối lượng rắn (kim loại) giảm đi bao nhiêu gam thì khối lượng dung dịch tăng lên bấy nhiêu gam.
Khối lượng muối ban đầu bằng 13,6 – 0,5 = 13, 1 (gam).
Chọn đáp án A.
Như vậy nhờ phép suy diễn mà ta đã giải bài toán này một cách sáng tạo. Để vận dụng và rèn luyện phương pháp suy diễn, trong dạy học hóa học có thể tiến hành theo các bước sau đây:
+ Nêu định luật, quy tắc hay khái niệm chung.
+ Nêu thí dụ để thấy rằng từ định luật (quy tắc, khái niệm chung) đó có thể giải thích những trường hợp đơn nhất, riêng lẻ như thế nào.
+ Cho bài tập (hoặc thí dụ khác) để HS tự lập vận dụng phép suy diễn.
+ Trình bày cho HS thấy, nhờ phép suy diễn, các nhà hóa học đã đi tới những phát minh như thế nào.
2.2.10.6. Suy li tương tự
Suy lí tương tự hay loại suy là sự phán đoán đi từ cái riêng biệt này đến một cái riêng biệt khác để tìm ra những đặc tính chung và những mối liên hệ có tính quy luật của các chất và hiện tượng.
Bản chất của phép loại suy là dựa vào sự giống nhau (tương tự) của hai vật thể hay hiện tượng về một số dấu hiệu nào đó mà đi tới kết luận về sự giống nhau của chúng cả về những dấu hiệu khác nữa.
Thí dụ: Cho bài toán: “Lấy cùng lượng hỗn hợp K và Al (tỉ lệ mol 1:1) lần lượt cho tan hết trong lượng nước (dư) thu được V1 lít khí H2 và trong dung dịch NaOH (dư) thu được V2 lít khí H2. So sánh V1 với V2. Nếu cũng lấy hỗn hợp trên cho tác dụng hết với dung dịch H2SO4 loãng dư thì thể tích khí H2 (V3) sinh ra như thế nào so với V1
và V2?” GV hướng dẫn HS thao tác suy lí tương tự như sau:
Cả hai trường hợp đều tạo thành H2 là do kim loại khử ion H+của H2O. Vì lượng kim loại trong các thí nghiệm đều giống nhau và đều phản ứng hết nên số mol electron kim loại cho ở hai thí nghiệm phải giống nhau => số mol e nhận từ H+ tạo H2 cũng giống nhau => V2 = V1. Nếu cũng cho lượng hỗn hợp K và Al như trên tan hết trong dung dịch H2SO4 loãng (dư) thu được V3 lít khí H2 thì ta có thể suy ra V3 = V2 = V1 (các thể tích đo ở cùng điều kiện), bởi ở thí nghiệm này K và Al đều tan hết tạo H2. Như vậy có thể kết luận: Nếu kim loại có khối lượng hoặc số mol giống nhau tham gia phản ứng hết với chất nào đi chăng nữa nhưng tạo H2thì thể tích hidro trong các phản ứng luôn bằng nhau.
Muốn vận dụng đúng đắn phương pháp loại suy cần chú ý đến các điều kiện sau đây:
+ Hiểu nhiều và sâu những tính chất bản chất, chủ yếu nhất của hai chất hay hiện tượng đem so sánh.
+ Cần nắm vững cái gì là bản chất nhất, chủ yếu nhất.
+ Cần biết cả những điểm giống nhau và những điểm khác nhau giữa hai đối tượng so sánh, khi đó loại suy càng tránh được sai lầm.
Mục đích cao nhất của việc dạy học, suy cho cùng là phát triển năng lực tư duy.
Kiến thức cụ thể lâu ngày có thể quên, cái còn lại là phương pháp tư duy. Có phương
pháp tư duy đúng đắn và sắc bén thì làm việc gì cũng có hiệu quả. Dạy học ở phổ thông là dạy kiến thức cơ bản để rồi trên cơ sở kiến thức đó mà rèn luyện tư duy vì kiến thức là nguyên liệu của tư duy.