Формирование профессиональной компетентности химиков-технологов на основании принципов современной методологии науки

УДК 378.147

В. М. Захаров, А. М. Кочнев

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ ХИМИКОВ-ТЕХНОЛОГОВ НА ОСНОВАНИИ ПРИНЦИПОВ СОВРЕМЕННОЙ МЕТОДОЛОГИИ НАУКИ

Ключевые слова: методология науки, компетентностный подход, компетенция, бакалавр, органическая химия,

химическая технология.

Показано значение методологии науки для формирования одной из составляющих профессиональной компетентности химика-технолога, а именно: способности к проведению и планированию химических экспериментов, моделированию химических процессов, выдвижению гипотез и установлению границ их применения. На конкретных примерах показано использование принципов методологии науки при изучении дисциплины «Органическая химия».

Key words: methodology of the science, competence-based education, competence, bachelor, organic chemistry,

chemical technology.

The significance of the methodology of the science for the formation of the one components of the professional competence of chemical engineers has been shown; in particular, their capability to carrying out and planning of chemical experiments, modeling of chemical processes, to the development of hypothesis and determination of limits of their validity. The application ofprinciples of the methodology of the science upon the study of the discipline “Organic chemistry” is demonstrated on the particular examples.

Важной особенностью реформирования высшего образования в России является его организация на принципах компетентностного подхода, в котором конечной целью обучения является формирование профессиональной компетентности выпускника, которая позволяет ему эффективно выполнять свои должностные обязанности.

Одной из составляющих профессиональной компетентности специалистов, бакалавров и магистров по направлению «Химическая технология» является их способность планировать и проводить химические эксперименты, моделировать химические процессы и явления, выдвигать гипотезы и устанавливать границы их применения [1,2].

Формирование профессиональной компетентности осуществляется в процессе изучения трех циклов дисциплин: гуманитарного цикла, математического и

естественнонаучного цикла, профессионального цикла. Дисциплине «Органическая химия» [3,4], которая относится к математическому и естественнонаучному циклу, отводится важная роль в подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлению «Химическая технология». Это обусловлено тем, что данная дисциплина тесно связана с другими естественнонаучными дисциплинами, такими как «Физика», «Общая и неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», а также с дисциплинами

профессионального цикла. В процессе ее изучения происходит подготовка к обучению дисциплинам, связанным с разработкой, производством и переработкой продукции органического и нефтехимического синтеза, а также производством и переработкой полимерных материалов. Объектом изучения дисциплины «Органическая химия» являются химическое строение и свойства органических соединений, предметом изучения -закономерности взаимосвязей химического строения и свойств органических соединений, а целями преподавания дисциплины является формирование системы знаний о химическом строении органических соединений, их свойствах и приобретение навыков в выполнении экспериментальных работ по органическому синтезу.

Содержание дисциплины представлено в виде следующих программных модулей:

1. Введение. Основы строения и реакционной способности органических соединений (базовая часть);

2. Углеводороды (базовая часть);

3. Монофункциональные производные углеводородов (базовая часть);

4. Биоорганические соединения (вариативная часть);

5. Методы идентификации и исследования органических соединений (вариативная

часть).

Важно отметить, что необходимым условием развития способностей студентов технологических специальностей к планированию и проведению химических экспериментов, а также правильной интерпретации полученных результатов является овладение студентами важнейшими положениями методологии научного познания. В данном контексте справедливо высказывание В.Г.Разумовского, которое хотя и касается педагогических проблем средней общеобразовательной школы, но в значительной степени справедливо и для высшего технологического образования: «...не имея четкого представления о процессе познания в целом, школьники (а нередко и учителя) забывают о «модельном» характере теоретических знаний, придают им статус полной адекватности. Это чрезвычайно сковывает развитие познавательных и творческих способностей.

Назовем ... несколько важных педагогических явлений, которые требуют осмысления с точки зрения современной теории познания:

• понимание соотношения между знанием и истиной;

• оценка степени достоверности различных категорий научного знания (факты, понятия, законы, гипотезы, теоретические выводы, результаты экспериментов и практического применения научного знания);

• понимание соотношения и связи между логикой, математикой, естествознанием и общественными науками;

• представление о роли логического и интуитивного мышления в процессе познания на различных его этапах;

• понимание соотношения между содержанием образования и методом обучения (в частности, места проблемного обучения в учебном процессе);

• понимание того, что полноценный учебный процесс должен включать не только запоминание теоретических моделей («готовых знаний») и логических выводов из них, но также и творческие упражнения по созданию новых моделей для объяснения незнакомых явлений или применения теории на практике» [5].

В цитируемой работе В. Г. Разумовского рассматриваются проблемы обучения дисциплине «Физика» в средней общеобразовательной школе. Формированию у учащихся методологических знаний при обучении дисциплине «Химия» в средней

общеобразовательной школе посвящен ряд педагогических исследований. В работах З.Э. Байбагисовой разработаны способы рационального сочетания методологического и предметного материала. Выявлены следующие условия нахождения способов рационального сочетания указанных видов знаний: а) формирование у учащихся методологических знаний должно быть подчинено раскрытию основного содержания предмета химии; б) «вооружение» учащихся методами научного познания должно осуществляться с учетом их естественной взаимосвязи; в) формирование методологических знаний как вида знания и как способа деятельности; «явное» знакомство учащихся с методами познания (формирование

«знаниевого» уровня владения методологическими знаниями, на основе которого формируется уровень «деятельностный»); г) как можно более раннее введение знаний о методах познания в содержание образования, так, чтобы они «работали» в процессе дальнейшего усвоения предметных знаний; д) увеличение в учебном процессе доли рефлексии как структуры; е) соответствие исторического материала дидактическому требованию формирования представлений о процессе и методах познания. Реализация предложенной методической системы способствует повышению качества знаний учащихся по химии, развитию познавательного интереса к предмету и овладению способами логического мышления и методами научного познания [6-8].

Д.Н.Кожевниковым разработана методика использования комплекса наглядных моделей в школьном курсе химии средней школы, предусмотрена возможность проведения с их помощью модельных экспериментов в форме демонстраций, лабораторных и практических работ. Разработаны дидактические видеоматериалы и компьютерные программы для обучения с помощью новых моделей, что позволяет перевести обучение на новый уровень восприятия информации - образно-наглядно-действенный [9,10].

Проблема освоения учащимися методологическими знаниями, которые необходимы для успешного изучения естественнонаучными дисциплинами, решается в средней и высшей школе различными способами. Если в средней школе каждый учитель решает ее интуитивно, то формирование этих знаний в вузе происходит при изучении отдельной дисциплины «Философия», которая относится к гуманитарному циклу дисциплин. Цель преподавания философии состоит в приобщении студентов к историческому опыту мировой философской мысли, формированию и совершенствованию навыков самостоятельного аналитического мышления, а также овладению принципами рационального философского подхода к процессам и тенденциям современного информационного общества. Процесс познания анализируется как философская проблема, при этом формулируются критерии научности знания и рассматривается методология науки.

Новое знание, полученное студентами в результате проведения экспериментов, должно отвечать критериям научности. В.И. Курашов отмечает, что различными философами в разное время выдвигались различные критерии научности знания: 1. общность и

систематичность; 2. общезначимость (интерсубъективность); 3. объективность (независимость от субъекта познания); 4. наличие специальных осознанных познавательных методов; 5. достоверность (верифицируемость); 6. критикуемость (фальсифицируемость); 7.

дополнительность (от корпускулярно-волнового дуализма до методологического анархизма П. Фейерабенда); 8. преемственность (выражается принципом соответствия). Из перечисленных критериев свойствами инвариантности обладает, прежде всего, «систематичность», а не «достоверность» и «общезначимость» как представляется на первый взгляд. Таким образом, инвариантными критериями научности знания являются: 1) его системность, 2) наличие осознанного метода (системы познавательных методов; экспериментального или теоретического инструментария). Многие знания, получаемые в сфере науки устаревали, пересматривались заново, опровергались, но они входят в контекст научного познания как научные ввиду их претензии на систематическую форму представления. Химия традиционно изучает вещество как целостное и от этого идет к познанию его элементов. Физика, наоборот, изучает вещество преимущественно через составляющие его элементы: атомы, электроны, ядра - поэтому особенность метода химии состоит в преобладании целостного подхода в познании вещества, а в физике - метода редукции [11].

В период 50-80-х годов прошлого века кроме изучения общегносеологической проблемы познания были рассмотрены частные проблемы гносеологии - вопросы методологии отдельных наук, в том числе методология химии. В работах того периода был определен предмет химии, установлено положение химии среди других естественных наук и рассмотрены перспективы развития химии как науки. С использованием исторического и аналитического методов была изучена структура теоретических концепций химии, и был сделан вывод о непреходящей проблеме химии - проблеме реакционной способности во всей ее широте и многообразии, которая непосредственно связана со структурными и кинетическими химическими концептуальными системами [12-16]. Одним из разработанных методов исследования являлся исторический метод, относительно значения которого для развития химии Ю.А. Жданов пишет: «Изучение химической формы движения материи в настоящее время невозможно рассматривать вне познания этапов химической эволюции вещества, то есть вне временных и исторических характеристик химизма» [16]. Анализ современного состояния методологии химии с учетом специфики химии и реалий ее исторического развития проведен в работах В.И. Курашова [11,17].

Как отмечает В.И. Курашов, методология - это учение о путях познавательной деятельности, которая способна обозначить общие принципы эффективной познавательной деятельности, но не может предсказывать конкретные этапы познания конкретного исследуемого объекта. Методология науки вырабатывает общие подходы и принципы но не является методическим знанием, «рецептурой» и «технологией» получения нового знания, ее полезное функционирование в конкретных областях познавательной деятельности выражается в критическом анализе возможных вариантов решения проблемы и дискредитации заведомо тупиковых путей исследования. Существуют две формы методологии: дескриптивная (история становления научного знания) и нормативная (учение о путях познавательной деятельности, сформулированное в форме методологических принципов). Также различают формальную (язык и логика научного знания) и содержательную (зарождение нового знания и его рост) методологии. Следует различать три уровня методологии: философский,

общенаучный и частнонаучный. Философский уровень методологии близок к проблемам гносеологии, общенауный является специфическим синтезом частнонаучного и философского знаний. Частнонаучный уровень методологии - синтез общенаучной методологии и системы знаний соответствующей частной науки (например, «методология химии, методологические проблемы экологии и т.д.). Природа методологических принципов различна. Принципы редукции, целостности, контрредукции выражают природу естественных объектов исследования; принципы верификации, фальсификации - формы познавательномыслительной деятельности; принципы дополнительности и историзма - выражают одновременно и свойства объектов исследования им свойства познавательно-мыслительной деятельности. [11].

Как отмечалось выше, значительная часть дисциплины «Органическая химия» (модульные блоки 2 - 4) посвящена изучению важнейших классов органических соединений. Взаимосвязь рассмотренных методологических принципов с учебным материалом может быть показана на примере темы «Моноядерные ароматические углеводороды. Номенклатура, методы получения и свойства».

При изучении номенклатуры ароматических углеводородов рассматриваются названия этих соединений по номенклатуре ШРАС и их тривиальные названия. Например,

CH3

^^CH3

бензол

бензол

метилбензол

толуол

1,2-диметилбензол

о-ксилол

Сложившаяся в настоящее время практика, когда наряду с названиями в соответствии с правилами номенклатуры IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) используются тривиальные названия, соответствует методологическому принципу соответствия по которому систематизация знания в данной области научного познания на основе новых принципов включает в себя «старое» знание в этой области, как элемент этой системы.

При изучении методов синтеза ароматических соединений студенты знакомятся со способами получения ароматических соединений исходя из соединений неароматической и ароматической природы: 1) ароматизация парафинов и циклоалканов; 2) тримеризация алкинов;

3) декарбоксилирование солей карбоновых кислот; 4) реакция Вюрца-Фиттига; 5) реакция Фриделя-Крафтса; 6) восстановление жирноароматических кетонов по Клемменсену [4].

Использование принципов методологии может быть показано на примере первого из перечисленных методов синтеза - ароматизации парафинов и циклоалканов:

С6Н14

+ 3 Н2 + 265 кДж/моль

+ 3 Н2 + 221 кДж/моль

Ароматизация алканов была открыта в 1936 году Б.Л. Молдавским и Н.Д. Камушером на катализаторе Сг203 при 470оС и Б.А. Казанским и А.Ф. Платэ на Р1;/С при 310оС. Промышленный процесс риформинга возник в 1939 г. в США на катализаторе Сг203/Д1203. В 1949 г. фирма ИОР (США) под руководством В.П.Хэнзела создала вариант риформинга, названный платформингом: при 450оС и 5 - 6 МПа на катализаторе РМД^Оз или Р1;/алюмосиликат. На этих катализаторах удалось получить бензин с октановым числом 100. Благодаря работам В.П. Хэнзела в конце 1950-х годов были созданы биметаллические катализаторы риформинга. Уже длительное время каталитический риформинг является главным процессом, обеспечивающим высокое октановое число бензинов. Кроме того риформинг применяют как основной метод получения ароматических углеводородов. Ценным побочным продуктом является водород, применяющийся далее в гидроочистке и гидрокрекинге.

Реакции ароматизация алканов и циклоалканов относятся к гетерогеннокаталитическим процессам, в которых можно выделить следующие основные стадии: диффузия компонентов к катализатору; адсорбция; собственно каталитическая реакция (химические превращения на поверхности катализатора, как правило, многостадийные); десорбция и обратная диффузия продуктов реакции [18].

Таким образом, для описания рассматриваемой реакции необходимо использование разнородных знаний (органическая химия, физическая химия, математика, термодинамика, электронная микроскопия, физика твердого тела и др.), следовательно, в этом случае применяется методологическоий принцип дополнительности, в соответствии с которым многие объекты исследования более полно описываются на основании интеграции разнородных знаний.

Информация о физических свойствах представляет собой справочные данные о температурах плавления, кипения, плотности, показателе преломления, диэлектрической проницаемости и ряде других свойств. Информация о строении - данные о пространственной геометрии молекулы и особенностях ее электронного строения (в терминах квантовой химии). Спектральные характеристики представлены описанием характерных особенностей ИК, ЯМР и масс-спектров ароматических соединений. В этом случае, также как и в предыдущем, описание свойств веществ используется с привлечением разнородных знаний, что находится в соответствии с принципом дополнительности. Рассматривая проблемы идентификации органических соединений с использованием физических методов исследования, следует отметить применение принципа редукции, который, как уже отмечалось, является ведущим методологическим принципом физики.

Ароматические соединения проявляют химические свойства, отличающие их от других углеводородов. Несмотря на наличие в классической структурной формуле бензола трех двойных связей, реакции присоединения (гидрирование, хлорирование, озонирование), наиболее характерные для непредельных соединений протекают с трудом, в то же время

малохарактерные для непредельных соединений реакции замещения (нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование) в данном случае легко осуществимы.

Примеры реакций:

Нитрование - пример реакции электрофильного ароматического замещения Бы ар0м.:

Для изучения химических свойств органических соединений особое значение имеет принцип целостности по которому любая система имеет свойства, которые не нередукцируемы ко всей совокупности свойств составляющих систему элементов. Этот методологический принцип характерен для химии в целом, при этом в данном случае проводится логический анализ превращений вещества А при определенных условиях: А + Б =

В. Располагая информацией, наблюдаемой до ХХ века только на макроскопическом уровне, химики обогащали знания о составе и структуре вещества на микроуровне, формируя раньше физиков понятия об элементах, атомах, молекулах, химическом строении.

В контексте данной работы особого внимания заслуживает проблема редукции химии к физике, суть которой сформулирована А.И. Китайгородским следующим образом: «Разумеется, было бы великолепно вычислить химическую реакцию с помощью уравнений квантовой механики и статистической физики. Принципиальная разрешимость такой задачи не подлежит сомнению. Это приходится подчеркивать, так как часть химиков до сих пор указывает на наличие в теории реакционной способности «таинственного нечто», не сводимого к общим законам природы (по контексту - законам физики). Конечно, во второй половине ХХ-го в., характерной особенностью которого в отношении науки является подведение общего фундамента под все естествознание, включая биологию и психологию, а не только химию, такие рассуждения звучат несерьезно [19]. Подобной точки зрения придерживается ряд ученых, что находит свое отражение в научной и учебной литературе.

Как отмечает В.И. Курашов, субъективные причины стойкости редукционистских позиций связаны с естественным стремлением человека познать нечто сложное посредством познания простого. Объективные причины связаны с постоянным обогащением научных знаний о составе, структуре и свойствах элементов тех или иных естественных или искусственных систем и практически бесконечным в связи с этим расширением познавательных возможностей метода редукции. Можно привести аргументы, которые свидетельствуют о невозможности сведения химического знания к физическому:

• Непреодолимые вычислительные трудности решения теоретических и экспериментальных задач химии, сформулированных на языке физики;

• «органическая» невозможность сведения химии к физике, обусловленная целостными свойствами химических веществ и химических процессов;

• Логические трудности, связанные с ограниченными возможностями конечного логического аппарата;

+ ИШ3

Каталитическое гидрирование - пример реакции присоединения:

• В длительном историческом процессе развития сформировался своеобразный понятийно-терминологический аппарат, который невозможно без потерь перевести на язык физики [11].

Таким образом, в настоящей работе показано значение методологии науки для формирования одной из составляющих профессиональной компетентности химика-технолога, а именно: способности к проведению и планированию химических экспериментов,

моделированию химических процессов, выдвижению гипотез и установлению границ их применения. На конкретных примерах показано использование принципов методологии науки при изучении дисциплины «Органическая химия». О предварительных результатах данного исследования сообщалось на ежегодных научных сессиях Казанского государственного технологического университета [20].

Литература

1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 240100 Химическая технология (квалификация «бакалавр»). Приложение к приказу Министерства образования и науки Российской Федерации № 807 от 22.12.2009.

2. Захаров, В.М. Компетенции бакалавров по направлению «химическая технология», формируемые при изучении дисциплины «органическая химия» / В.М. Захаров, А.М. Кочнев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 10. - С. 466-472.

3. Травень, В.Ф. Органическая химия. Учебник для вузов / В.Ф. Травень. - М.: Академкнига, 2004. -Т.1. - 727 с., Т.2. - 582 с.

4. Петров, А.А. Органическая химия / А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко. - СПб.: Иван Федоров, 2002. - 624 с.

5. Разумовский, В.Г. Обучение и научное познание / В.Г. Разумовский // Педагогика. - 1997. - № 1. - С. 7-13.

6. Байбагисова, З.Э. Из опыта формирования общих методов познания / З.Э. Байбагисова // Химия в школе. - 2002. - №1. - С. 31-33.

7. Байбагисова, З.Э. Учащимся о методах познания / З.Э. Байбагисова // Химия в школе. - 2001. - №10.

- С. 43-45.

8. Байбагисова, З.Э. Формирование у учащихся методологических знаний при обучении химии: автореферат дис. канд. пед. наук / З.Э. Байбагисова. - М., 2002. - 19 с.

9. Кожевников, Д.Н. Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы: автореферат дис. канд. пед. наук / Д.Н.Кожевников.

- М., 2004. - 22 с.

10. Кожевников, Д.Н. Кольцегранные модели молекул / Д.Н. Кожевников // Журнал физической химии. - 1996. - Т. 70. - № 6. - С. 1134-1137.

11. Курашов, В.И. Химия с историко-философской точки зрения / В.И. Курашов. - Казань: КГТУ, 2008.

- 523 с.

12. Кедров, Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук / Б.М. Кедров. - М.: Наука, 1967. - 436 с.

13. Шахпаронов, М.И. Очерки философских проблем химии / М.И. Шахпаронов. - М.: МГУ, 1957. - 268 с.

14. Жданов, Ю.А. Очерки методологии органической химии / Ю.А. Жданов. - М.: Высшая школа, 1960. - 302 с.

15. Вихалемм, Р.А. О разработке философских вопросов химии / Р.А. Вихалемм // Вопросы философии.

- 1974. - № 6. - С. 90-95.

16. Жданов, Ю.А. Исторический метод в химии / Ю.А. Жданов // Вопросы философии. - 1977.- № 10. -

С.125 - 141.

17. Курашов, В.И. Начала философии науки / В.И. Курашов. - М.: УКД, 2007. - 447 с.

18. Крылов, О.И. Гетерогенный катализ / О.И.Крылов. - М.: Академкнига, 2004. - С. 544.

19. Китайгородский, А.И. Проблемы теории в химии. Материалистическая диалектика и методы естественных наук / А.И. Китайгородский. - М.: Наука, 1968. - С. 443.

20. Захаров, В.М. Элементы теории познания в дисциплине «Органическая химия» / В.М.Захаров // Научная сессия Каз. гос. техн. ун-та. Аннотация сообщений / Казань: КГТУ, 2006. - С. 186.

© В. М. Захаров - канд. хим. наук, доц. каф. органической химии КНИТУ, zakharov_vm@mail.ru; А. М. Кочнев - д-р пед наук, проф., зав. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ.