Формирование представлений об интеграции естественных наук в процессе подготовки учителей химии в педагогическом вузе

Литература

1. Библер В.С. Мышление как творчество. - М.: Политиздат, 1975.

2. Исаев И.Ф. Профессионально-педагогическая культура преподавателя: Учеб. пос. для студ. высш. учеб. зав. - 2-е изд., - М.: Изд.центр «Академия», 2004.

3. Касымжанов А.Х., Кельбуганов А.Ж. О культуре мышления. - М.: Политиздат, 1981.

4. Клеманович И. Культура профессионального мыш-

ления социального педагога. Воспитание школьников, 2000, № 10.

5. Крылова Н.Б. Формирование культуры будущего специалиста. - М.: Высшая школа, 1990.

6. Никитина Н.Н., Кислинская Н.В. Введение в педагогическую деятельность: Теория и практика: Учеб.пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. - М.: Изд. центр «Академия», 2004.

формирование представлении об интеграции естественных наук в процессе подготовки учителей химии в педагогическом вузе

Н.И. Савиткин,

кандидат химических наук, доцент кафедры химии Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского

Я.Г. Авдеев, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского

Е.Н. Богданов, доктор психологических наук, профессор, проректор по научной работе Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского, зав. кафедрой психологии профессиональной деятельности и управления непрерывным педагогическим образованием, заслуженный деятель науки РФ, академик РАЕН, академик МАНПО

Важными задачами, которые решает учитель химии будущем становятся интеграционные процессы [2]. Следует совместно с учителями, преподающими естест- отметить, что невозможность на данном этапе объединить в веннонаучные дисциплины, является формирова- современной ЕНКМ многочисленные основные достижения

ажными задачами, которые решает учитель химии совместно с учителями, преподающими естественнонаучные дисциплины, является формирование у школьника представлений о современной естественнонаучной картине мира (ЕНКМ) и развитие системного мышления [1]. В связи с этим возникает необходимость в подготовке учителей химии, ориентированных на междисциплинарный синтез и интеграцию естественнонаучного образования. Предлагаемая нами схема интеграционного подхода применяется в подготовке учителей химии и биологии на биолого-химическом факультете Калужского государственного педагогического университета. Для реализации идей интеграции естественнонаучного образования при подготовке учителей химии необходим системный подход, включающий как учебную, так и научную работу студента. Здесь мы должны разумно сочетать содержание основных курсов (общая, неорганическая, органическая, физическая, аналитическая биологическая химии) и специальных курсов (история химии, геохимия и др.). Возможно привлечение студентов к подготовке рефератов, курсовых и дипломных работ по соответствующей тематике.

Современная ЕНКМ характеризуется высокой степенью взаимодействия и взаимопроникновения естественных наук -физики, химии, биологии, геологии, космологии. Ведущей тенденцией развития современной цивилизации в ближайшем

фундаментальных наук привело к появлению так называемых локальных картин природы - физической [3] и химической [4]. Такой подход противоречит тенденции развития современной науки, поскольку сейчас практически трудно найти область естественнонаучных исследований, которую можно отнести исключительно к физике, химии или биологии в изолированном состоянии (обратим внимание на мысль В.И. Вернадского о том, что «.. .мы специализируемся не по наукам, а по проблемам» [2]). Химия, имея непосредственным основанием физику, сама является фундаментом для геологических и биологических наук. Неорганическая химия - основа геолого-минералогических наук, а органическая - биологических наук. В свою очередь биологические науки (учение о высшей нервной деятельности) являются основой психологии, которую авторы [2] включают в естественные науки. Современная космология, по-нашему мнению, широко использует достижения в первую очередь физики, а также и химических наук (аналитическая химия, космохимия, ядерная химия) (рис. 1). Располагаясь в центре естественных наук, химия открывает большие возможности для формирования представлений об интеграции в естествознании.

Рис. 1. Взаимодействие фундаментальных естественных наук в современном естествознании

Для того чтобы подготовить учителя химии, хорошо представляющего процессы и направления интеграции естественных наук и способного на этой основе формировать современную ЕНКМ и четко выявлять межпредметные связи, необходимо проанализировать структуру

процесса интеграции, ее направления, а также методы и приемы введения этого материала (содержания) в учебный процесс. Мы выделили следующие направления интеграции естественных наук, которые можно реализовать в процессе обучения химии в вузах, а частично и в

школьном курсе:

1) иллюстрация и применение общих принципов естествознания (симметрии, самоорганизации, эволюции и др.) и универсальных физических постоянных, отражающих единство природы;

2) изучение и детальный анализ наиболее общих теорий - структурных, термодинамических, кинетических;

3) изучение общенаучных методов эмпирического и теоретического познания и овладение конкретными физико-химическими экспериментальными методами исследования;

4) анализ научного наследия ученых-энциклопедистов и историко-логического аспекта взаимодействия естественных наук;

5) изучение пограничных наук (биофизика, физическая химия, биохимия, геохимия и др.).

Для каждого из предлагаемых направлений мы разработали подробное содержание, объединяющее в определенном взаимодействии логический, исторический и дидактические аспекты. В данной статье ограничимся наиболее общей характеристикой указанных направлений.

1. При изучении общей химии наибольшее внимание уделяется принципам физики микромира - принципам неопределенностей (Гейзенберг), дополнительности (Бор), запрету (Паули) [5, 6]. Несколько особняком стоит сформулированный в 1923 году Н. Бором принцип соответствия [6] - «Всякая новая теория в физике сводится к хорошо установленной соответствующей классической теории, если эта теория прилагается к специальным случаям, которые успешно описываются менее общей теорией» [7]. В химии также можно отметить примеры проявления этого принципа соответствия в общем виде - так, уравнение теории активированного состояния

К т -ДН* АД *

к = — е КТ е К можно свести к уравнению Арениуса

И

-АЕ

к = Аре КТ .

Физикам хорошо известен принцип суперпозиции [6]. В квантовой химии принцип суперпозиции лежит в основе концепции резонанса в теории валентных связей (По-линг, Уэланд). В химии к принципу суперпозиции близки многочисленные правила аддитивности (правило Нейма-на-Борна, расчеты молярной реффракции по атомным и т.д.), явления синергизма и антагонизма (катализ, инги-бирование кислотной коррозии, коагуляция золей электролитами и др.).

Принцип симметрии является более общим и применим к объектам, изучаемым всеми естественными науками. Причем в физике принцип симметрии относится и к физическим объектам (молекулы, кристаллы и другие тела), и к законам. В физике, химии и биологии различают симметричные и ассиметричные объекты [8]. В курсах органической химии, биохимии, биоорганической химии, неорганической химии (комплексные соединения) подробно изучается зеркальная изомерия, явление хирально-сти, так как практически все биологически активные объекты и биополимеры существуют в виде ассиметрических зеркальных изомеров.

Наиболее общим принципом развития природы является самоорганизация, исследуемая такими науками, как термодинамика необратимых процессов, синергетика [6]. Идея самоорганизации лежит в основе гипотезы о химической эволюции, основанной на самоорганизации открытых каталитических систем [9] и объясняет протекание автоколебательных химических реакций.

Подробно рассмотренный в физике принцип относительности тесно связан с понятием пространства и времени. Эти категории являются неотъемлемыми свойствами материи [6] и широко используются также в химии, био-28

логии, геологии и космологии.

Если общие принципы естествознания в той или иной степени представлены в учебной и научно-популярной литературе, то универсальные физические постоянные рассматриваются только в физике и частично, без должного анализа их сущности, применяют в химии - число Авогадро (VА), молекулярную постоянную (К), постоянную Планка (И) и Больцмана (к). Фундаментальные физические константы формируют химические и биологические аксиомы и своеобразные характеристики, которые следует рассматривать как биологические константы [10]. В качестве химической «константы» предлагается время жизни активированного комплекса (переходного состояния): т = ~ 10-13 с. В качестве фундаментальных биоло-кТ

гических констант предлагается использовать минимальную энергию осуществления мутаций (2,5-3,0 эВ) и эффективное расстояние осуществления мутаций (10-9 м) [10]. Применение универсальных постоянных для количественных характеристик основных понятий химии (активированный комплекс) и биологии (мутация) является доказательством возможности интеграции естественных наук не только в качественном аспекте, но и на количественной основе.

Содержание вышерассмотренного направления интеграции естественных наук может быть представлено в виде спецкурса «Основные принципы (концепции) естествознания в химии. Особенности проявления» и (или) включено в виде фрагментов в курсы физической, органической, биологической химий, геохимии и др. Более конкретные вопросы могут стать темами курсовых и дипломных работ.

2. В фундаментальных естественных науках можно выделить три общих раздела (типы теорий по содержанию): структурные теории (учение о структуре объектов), учение о взаимопревращении энергии (термодинамические теории), учение о протекании процессов во времени (кинетические теории). В химии подробно и на количественном уровне изучаются элементарные частицы, строение атома, ядра атома (атомная и ядерная физика), а также структура жидкостей, твердых тел, жидких кристаллов и биополимеров. В химии и биологии широко используются достижения современной физики по исследованию структуры вещества, полученные с применением сложной экспериментальной техники. В химии (структурная химия, структурный анализ, стереохимия, кристаллохимия, супрамолекулярная химия) решаются задачи не только установления структуры вещества, но и установления зависимости свойств веществ от их структуры. Традиционно в учебной литературе рассматривается зависимость химических свойств веществ от строения, частично анализируется влияние строения на физические свойства и практически не обсуждается взаимосвязь структуры и физиологических (экологических, биологических) свойств неорганических и органических веществ. Нам представляется необходимым при изучении неорганической, органической и биоорганической химии рассматривать влияние структуры на физические, химические (реакционноспособность) и физиологические свойства (токсичность, биологическая активность) веществ, привлекая по возможности и количественный подход (уравнение Гамета [11], эмпирические соотношения [12]). При изучении химической термодинамики в курсе физической химии традиционно опираются на достижения классической термодинамики (основы которой заложены в физике). На наш взгляд, совершенно не обосновано игнорировать другие разделы: статистическую термодинамику [13], позволяющую рассчитать термодинамические функции по характеристикам микросостояний, и термо-

динамику необратимых процессов [6], рассматривающую решение проблемы самоорганизации и эволюции в биологических системах [14].

Кинетические теории охватывают широкий спектр учения о процессах, протекающих во времени, от физической кинетики (уравнение Максвелла, Смолуховского-Форера, Планка, теория кинетики быстрой коагуляции М. Смолуховского) до фармкинетики и проблем биологической кинетики. Традиционно в химической кинетике выделяют разделы формальной кинетики и учение о механизмах реакций. В разделе кинетики следует излагать вопросы динамики химических реакций и макрокинетики. С химической и биологической кинетикой тесно связано учение о химической (предбиологической) эволюции как совокупности процессов от появления простейших химических соединений до сложных биологических систем [15].

Основные положения и количественные закономерности вышеперечисленных разделов закладываются в физике, находят широкое применение и развитие в химических науках и рассматриваются в биологии.

Число часов отведенное на изучение физической химии в педвузах, не позволяет рассматривать все вышеперечисленные вопросы и тем самым формировать современные представления об интеграции фундаментальных естественных наук. Поэтому мы считаем целесообразным введение в конце обучения студентов спецкурса «Избранные главы физической химии», где и можно решать поставленные задачи.

3. На базе структурных, термодинамических и кинетических теорий возникают эмпирические (экспериментальные) и теоретические физико-химические методы исследования, которые широко используют практически во всех естественных науках, включая геологию, космологию, астрохимию, космохимию и др. Между теорией и методами существует сложная обратная связь: теория -основа метода, методы - способ опровержения старых теорий и опора в становлении новых.

При изучении химии учащиеся в первую очередь знакомятся с методами химического анализа - сначала качественного (качественные реакции на ионы, функциональный анализ в органической химии) и синтеза - неорганического и органического (сначала в пробирочном варианте, а затем в препаративном). В курсе аналитической химии студенты овладевают химическим количественным анализом (гравиметрия, титриметрия), а затем инструментальным физико-химическим анализом, основы которого закладываются в курсе физической химии (кондук-тометрия, потенциометрия, хроматография, спектроскопия и другие методы).

4. Интеграция естественных наук, проявлявшаяся в их взаимодействии имеет достаточно интересную и большую историю подробно рассмотренную в работе [16]. Взаимодействие и взаимопроникновение естественных наук проходит не только в общем процессе развития естествознания, но и в сознании отдельных ученых. Способность исследователя осваивать факты, идеи и методы различных наук и вносить свой вклад в эти науки называют энциклопедичностью. Энциклопедистами можно считать Р. Бойля, Г. Кавендиша, Д.И. Менделеева, В.И. Вернадского, С. Аррениуса, Л. Полинга и других ученых. Вопросы, связанные со становлением и развитием энциклопедичности ученых уместно обсуждать и анализировать в спецкурсе «Истории химии», а также в курсовых и дипломных работах.

5. Предпосылки формирования представлений об интеграции естественных наук частично заложены в учеб-

ных планах, программах и перечнях спецкурсов, предлагаемых кафедрами химии педвузов. Курсы и спецкурсы физической и коллоидной химии, биохимии, биоорганической химии, биофизической химии, геохимии, химической технологии, физико-химического (инструментального) анализа, физической органической химии, истории химии, агрохимии и другие позволяют обстоятельно познакомить студентов с различными формами, способами и направлениями интеграции естественных наук [11, 17, 18].

В последнее время большое внимание уделяется наукам, решающим экологические проблемы. В первую очередь следует отметить экологическую химию, в которой для решения экологических проблем привлекаются теории, основные понятия и методы физики, химии и биологии.

Использование интеграционного подхода при изучении химии в педагогическом вузе является, по нашему мнению, необходимой составляющей учебного процесса, позволяющей подготовить высококвалифицированного и всесторонне развитого учителя химии, хорошо ориентирующегося не только в содержании своей узкой предметной области, но и в содержании других фундаментальных естественных наук.

Литература

1. Васильева П.Д., Титова И.М. Интеграция естественнонаучного образования школьников на основе синерге-тического подхода. // Наука и Школа, 2003, №5.

2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М.: Агар, 1996.

3. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М.: Мысль, 1985.

4. Вязовкин В.С. Материалистическая философия и химия. М.: Мысль, 1980.

5. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1981.

6. Физический энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.

7. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. М.: Высшая школа, 1981.

8. Олехнович Л.П. Многообразие строения и форм молекул органических соединений. // Соросовский образовательный журнал, 1997, №2.

9. Руденко А.П. Самоорганизация и прогрессивная эволюция в природных процессах и аспекте эволюционного катализа. // Российский химический журнал. 1995, 39, №2.

10. Хапачев Ю.П. Самоорганизация и прогрессивная эволюция в природных процессах и аспекте эволюционного катализа. // Российский химический журнал. 2000, №3, С.3.

11. Гаммет Л. Основы физической органической химии. М.: Мир, 1972.

12. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1972.

13. Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир, 1980. Т. 2.

14. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.

15. Кальвин М. Химическая эволюция. М.: Мир, 1971.

16. Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Исторический процесс взаимодействия естественнонаучных знаний. М.: Наука, 1989.

17. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвящение, 1987.

18. Пасынский А..Г. Биофизическая химия. М.: Высшая школа, 1968.