Более 20 лет мы с большим успехом используем проектирование несуществующих химических производств в качестве вида учебной деятельности при работе как в классах с базовым уровнем изучения химии, так и в профильных классах. Ежегодно девятиклассники разрабатывают и защищают проекты производства аммиака методами, которые не используются в промышленности и не рассмотрены в литературных источниках. В последние годы в связи с сокращением объема преподавания химии в основной школе эта работа перенесена нами в старшую школу (10‑й класс), где интегрируется с предметом «Информационные технологии» в рамках часов, выделяемых на проектную деятельность. Ниже в обобщенном виде изложен опыт организации этой учебной работы.

Содержание проектирования
При разработке производства аммиака мы выделили три различных метода, которые на практике нерентабельны, а потому не описаны в литературе. Это цианамидный метод (в основе лежит реакция цианамида кальция с водой), нитридный метод (реакция с водой нитридов некоторых металлов) и карбамидный метод (получение аммиака при реакции мочевины с водой, в частности при переработке канализационных стоков). При формулировании задания учащимся сообщаются только название метода и реакция, лежащая в его основе. Разработка проекта состоит из следующих стадий:
1) разработка серии превращений, позволяющих осуществить заданный метод на базе имеющихся природных видов сырья. К примеру, при разработке цианамидного метода, в основе которого лежит реакция
CaCN2 + 3H2O = CaCO3 + 2NH3,
необходимо продумать серию последовательных превращений, позволяющих получить цианамид кальция из какого-нибудь природного сырья. Один из возможных вариантов выглядит, к примеру, так:
СаCO3 → CaO → CaC2 → CaCN2 → NH3
Производственный процесс в этом случае состоит из четырех стадий;
2) выбор оптимальных условий для осуществления реакций на каждой стадии производства. С этой целью учащиеся, используя справочные данные и делая необходимые расчеты, дают характеристику реакциям и подбирают условия для увеличения скорости реакций и повышения выхода продукта;
3) разработка конструкций химических аппаратов, позволяющих реализовать выбранные оптимальные условия на каждой стадии производства. Составление технологической схемы производства, показывающей последовательность работы реакторов, связь между ними, средства транспортировки веществ и вспомогательные аппараты (устройства загрузки-выгрузки, подготовки, разделения и изменения агрегатного состояния веществ и т. д.);
4) разработка комплекса инженерных мероприятий, обеспечивающих безотходность, непрерывность производства, охрану окружающей cреды. С этой целью учащиеся выявляют возможные отходы производства и продумывают наиболее эффективные способы их переработки и утилизации, анализируют технологическую схему и разрабатывают методы обеспечения непрерывности производства (аппараты попеременного действия, накопители, устройства циркуляции, дозирования и др.) и системы защиты окружающей среды;
5) выбор и обоснование возможного района размещения проектируемого производства с учетом наличия необходимых ресурсов, интересов потенциального потребителя и факторов рационального природопользования (совместно с учителем географии);
6) расчетная часть проекта: разработка математической модели, позволяющей автоматически осуществлять пересчет необходимых количеств сырья в зависимости от заданного объема продукции (аммиака), - выполняется в программе Excel.

Формы организации и планирование деятельности учащихся
1‑й этап - подготовительный. На этом этапе учащиеся в соответствии с учебным планом знакомятся с производством серной кислоты, получая представление об общих принципах организации производства и начальные сведения о методах конструирования и технологии, необходимые им для последующей самостоятельной творческой работы. Именно такая направленность рассмотрения сернокислотного производства делает, как нам кажется, оправданным включение этой темы в школьный курс. Правда, для того чтобы из полученных при этом сведений у учащихся начали формироваться навыки аналогичной, но уже самостоятельной работы, мы считаем необходимым уделить этой теме не менее 3‑4 уроков.
2‑й этап - организационный. Для выполнения самостоятельного проектирования учащиеся образуют творческие группы по 2‑3 человека в каждой. Группа получает письменное техническое задание на разработку проекта (см. приложение), в котором указываются предлагаемый к разработке метод, содержание работы, контрольные сроки выполнения каждого ее этапа и форма представления результатов. Групповая форма выполнения задания позволяет распределить работу в соответствии с индивидуальными склонностями каждого из участников, а также создать атмосферу коллективного творчества.
3‑й этап - разработка проекта. Работа над проектом ведется в основном во внеурочное время и рассчитана на 1,5‑2 месяца. При выполнении работы учащиеся могут использовать любую научную и справочную литературу, без ограничений прибегать к помощи учителя для разъяснения непонятного теоретического материала и обсуждения собственных идей и предложений. Каждой группе указываются даты консультаций с учителем для текущего контроля за работой. В назначенные контрольные сроки каждая группа представляет определенный объем проделанной работы, который на консультации с учителем согласовывается и корректируется. По окончании работы над проектом каждая группа представляет три документа:
    пояснительную записку с подробным описанием проекта (выполненную в редакторе Word и распечатанную);
    эскизную конструкторскую документацию (слайды, выполненные в программе PowerPoint) с изображением устройства аппаратов и технологической схемы производства (см. приложение);
    расчетную часть проекта - математическую модель, автоматически осуществляющую расчет необходимых количеств сырья в зависимости от заданного объема продукции (аммиака) и выполненную в программе Excel.
4‑й этап - представление результатов и контроль деятельности учащихся. По окончании работы над проектом каждой группе назначается оппонент из числа наиболее подготовленных учащихся старших классов, которые выполняли похожую работу годом раньше. Оппоненту выдаются для ознакомления и анализа пояснительная записка, конструкторская документация и расчетная часть закрепленной за ним группы. Оппонент готовит отзыв по этим материалам, выявляя ошибки, недочеты, а также отмечая нестандартные решения и оценивая тщательность проработки проекта. По окончании этой работы назначается дата заключительного занятия-конференции, на которую подготовленные проекты выносятся для защиты. Защита проектов осуществляется на конкурсной основе. Цель конкурса - выявить наиболее интересные работы и создать соответствующую эмоциональную атмосферу. Для оценки проектов образуется жюри конкурса, в которое приглашаются выпускники школы, избравшие себе технические специальности. При защите проектов каждой группе предоставляется 10 минут для доклада с изложением существа работы (используются слайды), а затем происходит обсуждение проекта: выступает оппонент, свои вопросы задают члены жюри и аудитория. По итогам конференции-конкурса осуществляется оценка работ учащихся.

Педагогические и образовательные задачи проектирования
Известно, что метод проектирования коренным образом меняет функцию учащегося в образовательном процессе. В традиционной педагогике ученик является объектом, на который направлена обучающая активность учителя, и в этом качестве он обречен на весьма пассивное участие в этом процессе путем в основном воспроизведения действий по образцу. Метод проектирования делает учащегося субъектом процесса обучения, поскольку для решения поставленной задачи (разработки проекта) действий по образцу недостаточно, необходимо проявить инициативу в поиске, освоении и применении новых знаний. Этот подход настолько необычен, что учеников, воспитанных в рамках традиционных образовательных систем, ставит поначалу в тупик. Почти каждый год, начиная в десятых классах работу по проектированию несуществующих химических производств, мы слышим недоуменные вопросы: «А как же это делать?», «Вы же нас этому не учили!» Именно с этих вопросов метод проектирования и начинает работать как эффективный образовательный инструмент. Когда первое ощущение беспомощности в связи с отсутствием возможности скопировать образец проходит, учащиеся постепенно обнаруживают, что их окружает множество информационных систем, которые при умелом использовании становятся инструментами решения поставленной перед ними задачи. Это и литературные источники, и помощь взрослых (в том числе родителей), и совместная деятельность с товарищами, и консультация учителя, и, самое главное, практически неисчерпаемые собственные возможности рассуждать и фантазировать.
Порой бывает необходимо преодолеть первоначальную инертность ребят, привыкших к более пассивным формам обучения. Но каждое маленькое открытие, сделанное ими в процессе работы над проектом и подтвержденное учителем, затягивает их в интереснейший процесс самостоятельного творчества и стимулирует новые поиски и открытия. По мере того как проект обретает черты законченности, ребята все яснее ощущают его как продукт собственного труда. Это способствует решению важнейшей педагогической задачи - учащийся обретает уверенность в собственных возможностях. Эмоциональная включенность ребят в процесс создания и представления проекта столь велика, что практически все выпускники школы спустя годы вспоминают, как в 9‑м классе они разрабатывали производство аммиака. На этом эмоциональном фоне творческие усилия каждой группы переживаются как личностно значимые, а приобретенные при этом знания и навыки становятся интегральной частью жизненного опыта ребят.
Правда, мы должны оговорить и тот факт, что не все учащиеся оказываются готовы к работе по проектированию. Некоторые не в силах преодолеть инерцию более привычной системы обучения, а для кого-то оказывается неблизок выбранный для проектирования материал - химическое производство. Но, как правило, это не более 2‑3 человек на класс. Естественно, что и остальные ребята справляются с проектированием по-разному. Техническая сложность, продуманность решений, оформление и подача проекта у всех групп различаются вследствие различия способностей и склонностей ребят. И в этой ситуации встает вопрос о критериях сравнения и оценки работ. Понятно, что ни один из проектов, разработанных учащимися, не является жизнеспособным в смысле построения по нему реального химического предприятия. Все проекты фантастичны, и чем фантастичнее, тем, на наш взгляд, лучше. Ведь цель этой работы - максимально раскрепостить природную способность ребят к творчеству. Тем не менее у нас есть весьма жесткий критерий оценки: все решения, предложенные ребятами, должны быть обоснованы на уровне имеющихся у них представлений, а также знаний, полученных в процессе работы над проектом. В итоге предпочтение получает не та группа, в которой больше технически одаренных ребят, а та, которая в процессе работы совершит большее количество открытий, о которых сможет заявить при защите проекта.
В методе проектирования важно еще и то, что поставленная перед ребятами задача не имеет однозначного решения. В традиционных образовательных системах учебные задачи всегда имеют так называемый правильный ответ, путем сопоставления с которым и оценивается обычно работа ученика. Фактор «правильного ответа» консервирует творческий потенциал учащегося, поскольку его целью становится не решение задачи как таковой и проявление при этом своих способностей к творчеству, а скорейшее достижение «правильного ответа» любым путем. При разработке проекта «правильный ответ» просто отсутствует. Хотя из года в год мы разрабатываем одни и те же методы производства аммиака, двух похожих работ еще не было. Сказываются и многогранность поставленной задачи, и индивидуальные особенности мышления участников проектирования. Таким образом, каждая группа решает задачу, которую до нее никто не решал. Отсутствие «правильного» подхода и готового алгоритма раскрепощает творческие способности и фантазию ребят. Их внимание переключается с тревожного ожидания вердикта учителя «правильно - неправильно» («угадал - не угадал») на суть рассматриваемой проблемы.
Еще одна особенность метода проектирования - изменение отношений в системе «учитель - ученик». Учитель может хотя бы на время отказаться от тягостной роли человека, ежедневно отвечающего на вопросы, которые ему никто не задавал. Как только ребята втягиваются в работу над проектом, от их вопросов становится невозможно отбиться. Для учителя нет более благодарной ситуации, чем осознавать, что передаваемые им знания востребованы. Какие-то вопросы ребят требуют даже повышения собственной квалификации, а смелость некоторых идей вызывает при обсуждении горячие споры. Иными словами, учитель и ученик становятся соучастниками процесса обучения.
От большинства обычных учебных упражнений проектирование отличается еще и целостностью решаемой задачи. В процессе преподавания химии учебные темы рассматриваются дискретно, одна отдельно от другой. При изучении каждой темы учащиеся отрабатывают локальные умения и навыки, в лучшем случае повторяя некоторые предыдущие разделы курса. Предполагается, что постепенно в сознании учащихся сама собой произойдет интеграция весьма разнородных элементов программы в систему знаний о природе. Видимо, нет смысла доказывать, что этого практически никогда не происходит. Проектирование, в частности проектирование химического производства, позволяет изначально поставить учебную задачу гораздо шире. Например, для разработки проекта производства аммиака учащимся требуется задействовать почти весь арсенал знаний, полученных в курсе 8‑х и 9‑х классов, а в некоторых случаях выйти и за пределы школьной программы, то есть учиться самостоятельно добывать знания. Учителю остается только координировать поиски ребят, направляя их к тому или иному пройденному разделу или источнику информации. При этом нам регулярно приходится сталкиваться с известной психологической проблемой. Многие учащиеся оказываются не в состоянии использовать полученные ранее учебные навыки вне тех алгоритмов, на которых они обучались этим навыкам. К примеру, ученик может прекрасно решать задачи на разделение смесей, но оказывается совершенно беспомощным при перенесении этой задачи в условия проектируемого производства для разделения потоков реагирующих веществ. Работа над проектом позволяет отчасти снять эту своеобразную зашоренность обучения. Таким образом, одна из образовательных задач проектирования - интеграция полученных в курсе химии знаний и обучение применению их в прикладных ситуациях.
Кроме того, на этапе подготовки результатов и представления работы учащимися активно используются информационно-коммуникационные технологии: работа в различных редакторах MS Office: Word, Excel, PowerPoint, создание математической модели в среде MO Excel.
Совокупность всех указанных выше особенностей метода проектирования несуществующих производств делает его эффективным инструментом современного образовательного процесса. За многие годы использования такого подхода в системе обучения неорганической химии мы получили этому убедительное подтверждение. Ребята, прошедшие через работу над проектами, обычно резко повышают свой уровень понимания предмета. Конечно, организация и контроль учебной деятельности в рамках проекта требуют от учителя серьезных дополнительных затрат времени и сил, но они полностью окупаются достигаемыми при этом результатами.
Приложение (образцы заданий на разработку проектов)

Вариант 1
Техническое задание на разработку проекта производства аммиака цианамидным методом
Сущность метода:
Метод основан на реакции цианамида кальция с водой с выделением аммиака:
CaCN2 + H2O → CaCO3 + NH3 + Q
Цианамид кальция в свою очередь может быть получен взаимодействием карбида кальция с азотом при создании условий (каких?), способствующих активации азота:
CaC2 + N2 ⇔ CaCN2 + C + Q

Формулировка задания:
1. Предложите методы получения необходимых для цианамидного метода веществ из природных видов сырья. Составьте серию превращений, связывающих выбранное вами сырье с конечным продуктом (аммиаком). Определите число стадий производства.
2. Разработайте общую схему производства аммиака цианамидным методом (на каждой стадии производства дайте характеристику реакции, подберите оптимальные условия для ее осуществления, исходя из представлений о скорости реакции и химическом равновесии, предложите конструкции химических аппаратов, позволяющих реализовать эти условия). Укажите необходимые для организации производства ресурсы (гидроресурсы, энергоносители и др.).
3. Разработайте систему мероприятий, обеспечивающих рентабельность и безопасность производства (утилизация отходов, непрерывность производства, способы экономии энергоресурсов, охрана окружающей среды).
4. Разработайте математическую модель, позволяющую автоматически осуществлять расчет необходимых количеств сырья в зависимости от заданного объема продукции (аммиака). Для этого свяжите все виды сырья с конечным продуктом (аммиаком) уравнениями материального баланса. Реализуйте данную математическую модель в программе Excel.

Оформление результатов работы
Отчет о проделанной работе должен включать пояснительную записку (в редакторе Word), конструкторскую документацию (слайды в редакторе PowerPoint) и расчетную часть (в редакторе Excel).
Примерное содержание пояснительной записки:
1. Вводная часть:
а) схема превращений, позволяющих получить аммиак цианамидным методом из природного сырья, с указанием числа стадий и записью уравнений реакций;
б) характеристика используемых видов сырья и способы подготовки его к производству. Перечень необходимых гидро-, энерго- и прочих ресурсов.
2. Основная часть. Для каждой стадии производства укажите следующие сведения:
а) характеристика реакции и методика выбора оптимальных условий;
б) эскизы аппаратов, позволяющих реализовать выбранные оптимальные условия (аппараты следует назвать и кратко пояснить принцип работы);
в) мероприятия по обеспечению рентабельности производства (как достигается безотходность, непрерывность, экономия энергоресурсов, охрана окружающей среды). Особо выделите предложенные вашей группой технологические новшества и интересные инженерные решения.
3. Предложения по размещению производства в выбранном регионе и их обоснование (наличие и близость источников сырья и энергии, возможность транспортировки продукции потребителю, обеспеченность трудовыми ресурсами, экологическая безопасность).
Содержание конструкторской документации (слайдов).
Схематическое изображение химических аппаратов на слайдах должно отвечать следующим требованиям:
- четко и наглядно показывать относительные размеры (в масштабе), устройство и принцип работы аппаратов (изображения должны быть сделаны ярко и хорошо различаться на расстоянии);
- рядом с аппаратом должно быть указано его название и записано уравнение происходящей в нем реакции (крупно, разборчиво);
- на слайдах должны быть также показаны вспомогательные устройства (для измельчения, растворения, высушивания, разделения, изменения агрегатного состояния веществ и т. д.) и средства транспортировки реагентов между аппаратами;
- размещение аппаратов на слайдах должно наглядно отображать технологическую схему производства, то есть взаимосвязанность и очередность работы реакторов, а также способы транспортировки реагентов между ними.

Содержание расчетной части (электронные таблицы)
На листе электронных таблиц Excel должны быть записаны уравнения всех реакций, позволяющих осуществить данное производство. Все виды сырья должны быть связаны уравнениями материального баланса с конечным продуктом (аммиаком). В сводной таблице на том же листе для каждого вида сырья приводится формула для расчета необходимого количества в зависимости от заданного объема аммиака. Реализованная таким образом математическая модель должна позволять автоматически пересчитывать объемы сырья в зависимости от вводимых объемов аммиака.

Вариант 2
Техническое задание на разработку проекта производства аммиака нитридным методом
Сущность метода
Метод основан на способности нитридов некоторых активных металлов разлагаться водой с выделением аммиака, например:
Mg3N2 + H2O → Mg(OH)2 + NH3 + Q
Далее смотри вариант 1.

Вариант 3
Техническое задание на разработку проекта производства аммиака карбамидным методом
Сущность метода
Метод основан на реакции мочевины (карбамида) с водой, сопровождающейся выделением аммиака:
(NH2)2CO + H2O → CO2 + NH3 + Q
Далее смотри вариант 1.

​Владимир ГОЛОВНЕР, учитель химии школы №1259, Москва, кандидат педагогических наук