Формирование профессиональной компетентности химиков-технологов на основе реaлий истории химии

УДК 378.147

В. М. Захаров, А. М. Кочнев

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ

ХИМИКОВ-ТЕХНОЛОГОВ НА ОСНОВЕ РЕАЛИЙ ИСТОРИИ ХИМИИ

Ключевые слова: история химии, методология науки, компетентностный подход, компетенция, бакалавр,

органическая химия, химическая технология.

Рассмотрены принципы обучения органической химии на основе современной методологии науки с учетом этапов ее исторического развития. Установлено, что в процессе обучения формируются составляющие профессиональной компетентности химика-технолога, связанные со способностью бакалавров к планированию и проведению химических экспериментов.

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

organic chemistry, chemical technology.

Principles of the study of organic chemistry on the basis of modern methodology of the science taking into amount its historical evolution are considered. It has been established that in the process of the study, the components of professional competence of the chemical engineer bound with the capability of bachelors for planning and carrying out chemical experiments are formed.

Дисциплина «Органическая химия», изучающая строение и реакционную способность соединений углерода, вносит значительный вклад в формирование профессиональной компетентности химика-технолога, что обусловлено тем, что эта наука является крупнейшим разделом современной химии. К настоящему времени известно более 10 млн. органических соединений, которые обладают самыми разнообразными свойствами, что определяет их использование в качестве моторных топлив, смазочных масел, красителей, лекарственных веществ, взрывчатых веществ, пестицидов, фреонов, поверхностно-активных веществ, сырья для производства полимерных материалов и т. д. В смежных с органической химией дисциплинах (биоорганическия химия, химия металлоорганических соединений, химия элементоорганических соединений, химия высокомолекулярных соединений, нефтехимия, фармацевтическая химия) широко используются методы и представления органической химии. Таким образом, изучение органической химии проводит к формированию тех сторон профессиональной компетентности химика-технолога, которые связаны с проведением химических экспериментов, а также с использованием знаний о строении вещества для понимания свойств материалов и механизмов химических процессов [1,2].

Как известно, любой познавательный процесс, осознанно, а в большинстве случаев интуитивно, осуществляется в соответствии методологическими принципами соответствия, дополнительности, верификации, фальсификации, редукции, целостности, контрредукции, моделирования, историзма и ряда других. Роль методологических принципов соответствия, дополнительности, редукции и целостности при изучении органической химии показана в работе [3]. В данной работе акцент сделан на использовании методологического принципа моделирования. Согласно Большой Советской Энциклопедии «понятие «моделирование» является гносеологической категорией, характеризующей один из важнейших путей познания, т. е. переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования моделей на оригинал, она основана на представлении о том, что модель, в определенном смысле, отображает какие-либо его черты; при этом такое отображение основано, явно или неявно на точных понятиях изоморфизма или гомоморфизма между изучаемым объектом и некоторым другим объектом «оригиналом» [4]. Моделирование как метод познания химических объектов получил наибольшее развитие в 60-80-х годах прошлого века [5-8], поскольку в дальнейшем внимание исследователей стали привлекать проблемы моделирования экономических процессов.

В контексте данной статьи представляется важным особо отметить модельный характер химического знания, а именно то, что в органической химии объективно существующие вещества моделируются посредством структурных формул в которых атомы изображаются буквами латинского алфавита, а ковалентные связи между ними - черточками. Считается, что при помощи этих формул отображается химическое строение органических веществ в понимании А.М.Бутлерова. Как отмечает Ю. А.Жданов, Бутлеров понимал трудности, стоящие на пути установления физического строения молекулы (с межатомными расстояниями, валентными углами), и опираясь на факт существования изомеров, выдвинул более определенную и реальную задачу: обнаружить химическими методами порядок

взаимодействия атомов. Такой порядок должен был существовать и быть устойчивым, в противном случае мы не наблюдали бы явления изомерии. Этот устойчивый порядок взаимодействия атомом в молекуле Бутлеров и назвал химическим строением. Поскольку такой порядок существует, то каждому химическому соединению может быть поставлена в соответствие лишь одна структурная формула, которая и должна объяснить все свойства данного соединения [9].

В процессе развития науки и углубления знаний о строении вещества выяснились ограниченные возможности классических структурных формул. В частности, было установлено, что в ряде случаев с их помощью невозможно адекватно отобразить строение и особенности распределения электронной плотности в молекуле. Поэтому было предложено дополнять формулы различными видами стрелок, которые обозначают смещение электронной плотности (индуктивный и мезомерный эффекты) либо по простым связям (прямые стрелки), либо по системе сопряженных кратных связей (изогнутые стрелки). Таким образом, сложилась ситуация при которой для описания строения органических веществ и их превращений используются разные виды формул. Следует отметить, что каждый новый способ изображения особенностей строения и распределения электронной плотности в молекулах органических веществ возникал на определенном историческом этапе развития органической химии.

В технологическом университете содержание дисциплины «Органическая химия» 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).

Общие положения дисциплины, а следовательно, и различные способы изображения строения органических соединений рассматриваются в первом программном модуле при традиционном построении которого учебный материал рассматривается в следующей последовательности [10]:

1. Предмет и пути развития органической химии.

2. Сырьевые источники органических соединений (природные газы, нефть, каменный уголь, сланцы, продукты сельского хозяйства).

3. Анализ и определение строения органических соединений (качественный и количественный анализ, рентгеноструктурный анализ, инфракрасные спектры, спектры ЯМР, масс спектроскопия). Общее представление о методах, подробнее о них в последнем, пятом программном модуле.

4. Общие вопросы теории химического строения (основы теории ковалентной химической связи, формулы и модели молекул органических соединений).

5. Основы теории реакций органических соединений (вопросы общей теории химических реакций, механизмы реакций, факторы, определяющие реакционную способность

органической молекулы, классификация реакций органических соединений, номенклатура реакций органических соединений).

6. Классификация органических соединений.

Данная последовательность изучения общих положений органической химии построена без учета этапов исторического развития науки. В то же время, профессиональная подготовка химика-технолога подразумевает подробное изучение общих теоретических представлений дисциплины, чему способствует рассмотрение развития модельных представлений в органической химии в историческом ракурсе. Анализ современного состояния методологии химии с учетом специфики химии и ее исторического развития проведен в работах В.И. Курашова, который о значении истории химии для профессиональной подготовки отмечает следующее: «Общие вопросы химии не могут излагаться полно без рассмотрения истории химии... элементы истории науки привносят с собой и элементы «химической логики», «химической мысли», что особенно важно для современного ученого и практика» [11].

Для практической реализации рассматриваемого подхода в учебном процессе необходимо выделить важнейшие этапы развития органической химии как естественнонаучной дисциплины. Переход от одного этапа развития к другому обусловлен возникновением принципиально новых теоретических основ науки.

1. Начальный этап. Этот этап охватывает период от возникновения органической химии как самостоятельной науки (1808 г.) до создания А.М.Бутлеровым теории химического строения (1861 г.). Датой возникновения органической химии как самостоятельной науки принято считать 1808 г. в котором вышел в свет курс химии шведского химика Й.Берцелиуса в котором он рассматривал органические вещества в отдельной главе, при этом особо подчеркивая большие различия между неорганическими и органическими веществами. На этом этапе развития совершенствовались методы синтеза органических соединений и разработаны методы их элементного анализа, что позволило определять их состав.

Моделирование строения органических соединений осуществлялось на основе представлений унитарной теории типов Шарля Жерара, который как сам, так и сторонники его теории, по своему мировоззрению находился на позициях агностицизма. Не претендуя на познание строения молекулы, опираясь лишь на известные аналогии в поведении веществ, Ш. Жерар сформулировал теорию типов, согласно которой органические соединения можно сопоставлять с простейшими неорганическими веществами (водород, хлористый водород, вода, аммиак) и рассматривать их как аналоги неорганических молекул, в которых вместо водорода помещены органические остатки. На рис.1 представлены вещества, относящиеся к типу воды.

Нл CH^ C2H5 C2H3O >

O lo \о

г

HJ HJ

вода метиловый этиловый уксусная спирт спирт кислота

Рис. 1 - Вещества, относящиеся к типу воды в соответствии с теорией типов Ш.Жерара

Невозможность познания строения молекулы на основе ее химических превращений Жерар выводил из того, что в ходе химической реакции данная молекула претерпевает превращения и становится чем-то новым. Отсюда Жерар заключал, что методами химии мы не можем познать настоящее молекулы, а познаем лишь ее прошедшее или будущее. [9,12].

2. Этап развития органической химии на основе теории химического строения

А.М.Бутлерова. Этот этап занимает временной период от создания теории химического строения (1861 г.) до создания квантовой теории строения атома (Н.Бор. 1913 г.). Устойчивый

порядок взаимодействия атомом в молекуле Бутлеров и назвал химическим строением, а поскольку такой порядок существует, то каждое химическое вещество может быть изображено при помощи одной классической структурной формулы, которая может рассматриваться в качестве нематериальной модели этого вещества. На рис.2 показаны сокращенные структурные формулы двух наиболее известных органических веществ: бензола и этилового спирта.

Теория химического строения в течение многих лет служила основой развития органической химии и дополненная электронными представлениями, не потеряла значения в настоящее время.

3. Этап возникновения и развития электронных представлений в органической химии. За начало этого этапа можно принять дату формулирования основных принципов квантовой теории Нильсом Бором в 1913 г. С определенной долей условности за дату завершения периода можно принять 1969 год в который вышла в свет фундаментальная монография К. Ингольда «Structure and mechanism in Organic Chemistry» (1969 г.) (русский перевод [13]), обобщающая результаты использования электронных представлений для объяснения свойств и особенностей реакционной способности органических соединений. Физика дала ответы на вопросы о природе химической связи и природе взаимного влияния атомов в молекуле. Электронные представления способствовали пониманию механизмов органических реакций, что представляло значение не только для теории, но также служило основой для разработки технологий промышленного органического синтеза.

К определенному периоду времени стало очевидным, что классические структурные формулы не во всех случаях могут адекватно отражать химическое строение органических соединений и особенности распределения электронной плотности в этих соединениях. Для устранения этих недостатков было предложено дополнять классические структурные формулы различными видами стрелок, которые обозначали смещение электронной плотности (индуктивный и мезомерный эффекты) либо по простым связям (прямые стрелки), либо по системе сопряженных кратных связей (изогнутые стрелки). Альтернативой использования стрелок являлось применение резонансных структур, т. е. использование для описания строения реальной молекулы или частицы нескольких резонансных (граничных) структур, каждая из которых в действительности не существует, а реально существующая молекула (частица) представляет собой нечто среднее (резонасный гибрид) между ними. Пример использования резонансных структур показан на рис. 3. В этом случае для изображения строения молекулы бензола используются две резонансных структуры, поскольку реальная молекула бензола представляет собой резонансный гибрид этих структур [14].

Рис. 3 - Изображение строения молекулы бензола при помощи резонансных структур

Определенный интерес с точки зрения развития отечественной методологии химических наук представляет критика теории резонанса и мезомерии в СССР в 50-х годах прошлого века. Существо этой критики можно легко понять из следующего высказывания

этиловый бензол спирт

Рис. 2 - Классические структурные формулы бензола и этилового спирта

М.И. Шахпаронова: «...философские позиции авторов теории резонанса ясны. Это позиции субъективного идеализма, махизма. ... Идейная нищета, беспочвенность и бесплодность в естественнонаучном отношении - таково фактическое содержание теорий резонанса и мезомерии. ... Единственно правильной плодотворной линией в развитии учения о строении молекул была и остается линия последовательного развития материалистического учения о химическом строении, основанного А.М.Бутлеровым» [15].

4. Современный этап. (после 1969 г.) В настоящее время электронная теория с ее способами изображения строения и распределения электронной плотности осталась теоретической базой органической химии. С точки зрения теории моделирования можно отметить, что если на предыдущих этапах развития органической химии совершенствовались способы изображения химического строения, то на современном этапе большие успехи достигнуты в самом процессе идентификации органических веществ с использованием физических методов (рентгеноструктурный анализ, масс- спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса и т.д.). Достижения этих методов в установлении строения органических веществ настолько значительны, что может сформироваться ошибочная точка зрения в соответствии с которой строение вещества можно установить, пользуясь только спектральными данными. В связи с этим В. И. Курашов пишет: .представим себе задачу установления структуры совершенно

неизвестного соединения чисто физическими методами по чисто физическим взаимодействиям. Мы не знаем для этого соединения элементов в него входящих; не знаем предшественников, из которых оно получено; не имеем банка спектров или результатов других измерений по другим соединениям, полученных ранее для соединений с известной структурой или с отдельными известными группами; не имеем права пользоваться аналитическими химическими методами, т. е. методами, где первичный сигнал получается в результате взаимодействия одного химического вещества с другим. Ответ будет однозначным: «без химической предыстории» данного вещества (каким путем и из каких соединений оно получено): без химических аналитических методов; без предыстории соответствующих физических методов (отрабатываемых на соединениях с составом и строением, установленным химическими методами), расшифровка будет невозможна» [11].

Организация обучения дисциплине «Органическая химия» в ее историческом ракурсе и на основе современной методологии науки была осуществлена на факультете химических технологий Казанского государственного технологического университета. Содержание первого программного модуля при рассматриваемом подходе к обучению в обобщенном виде представлено в табл.1. Принципы представления учебного материала других программных модулей изложены в работе [3].

На рис.4 и 5 представлены результаты экзаменационной сессии по органической химии на факультете химических технологий при традиционной форме обучения (рис.4) и при организации обучения на основе современной методологии науки (рис.5). Представленные данные свидетельствуют о том, что после проведения эксперимента количество хороших и отличных оценок возросло с 27% до 50%. Следует принять во внимание, что при рейтинговой системе оценки знаний, принятой в технологическом университете, оцениваются не только знания, продемонстрированные студентом на экзамене, но также учитывается качество выполнения практических работ экспериментального характера в течение учебного семестра. Следовательно, экзаменационная оценка, имеющая интегрированный, обобщающий характер, может рассматриваться в качестве одного из показателей формирования профессиональной компетентности.

Таблица 1 - Содержание первого программного модуля дисциплины «Органическая химия» при обучении с учетом этапов исторического развития химии

Название исторического этапа развития органической химии Теория, положенная в основу представлений о строении и реакционной способности органических веществ на рассматриваемом этапе развития органической химии Способы отображения (моделирования) строения органических веществ, соответствующие теоретическим представлениям данного этапа развития органической химии Учебный материал, изучаемый в контексте с данным этапом

1. Начальный этап Теория типов Формулы органических веществ как аналоги формул нескольких неорганических (водорода, хлористого водорода, воды, аммиака), в которых вместо водорода помещены органические остатки Сырьевые источники органических соединений

2. Этап развития органической химии на основе теории химического строения А. М. Бутлерова Теория химического строения А.М.Бутлерова Классические структурные формулы Номенклатура органических веществ. Классификация органических веществ

3. Этап возникновения и развития электронных представлений в органической химии Квантовая механика и ее приложение к химическим проблемам. Классические структурные формулы. Резонансные структуры. Мезомерные формулы Природа химической связи в органичесих соединениях Классификация органических реакций и реагентов. Факторы, определяющие реакционную способность органических соединений

4. Современный этап Без изменений Классические структурные формулы. Резонансные структуры. Мезомерные формулы. Структура органических молекул, изображенная с средствами компьютерной графики Методы идентификации органических соединений с использованием физических и физикохимических методов

1  2  3

Рис. 4 - Результаты экзаменационной сессии по органической химии при традиционной

форме обучения

Рис. 5 - Результаты экзаменационной сессии по органической химии при организации обучения на основе современной методологии науки

Таким образом, в настоящей работе рассмотрены принципы обучения органической химии на основе современной методологии науки и с учетом этапов ее исторического развития. Установлено, что в процессе обучения формируются следующие составляющие профессиональной компетентности химика-технолога:

• способность к планированию и проведению химических экспериментов, обработке их результатов и оцениванию погрешностей, математическому моделированию химических процессов, выдвижению гипотез и установлению границ их применения;

• способность к использованию знаний свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности.

О предварительных результатах данного исследования сообщалось на ежегодных научных сессиях Казанского государственного технологического университета [16-18].

Литература

1. 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.

2. 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.

3. Захаров, В.М. Формирование профессиональной компетентности химиков-технологов на основании принципов современной методологии науки / В.М. Захаров, А.М. Кочнев // Вестник Казанского технологического университета. В печати.

4. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1978.

5. Яровикова, Р.Т. Исходные принципы и объективные предпосылки анализа соотношения модели и теории в исследовании химического объекта / Р.Т. Яровикова // Методологические и философские проблемы химии: сб. научн. тр. / Новосибирск: Наука, 1981. - С. 165 - 184.

6. Грязнов, Б.С. Гносеологические проблемы моделирования / Б.С. Грязнов, Б.С. Дынин, Е.П. Никитин // Вопросы философии. - 1967. - № 2. - С. 66 - 77.

7. Садовский, В.Н. Модели научного знания и их философская интерпретация / В.Н.Садовский // Вопросы философии. - 1983. - №6. - С. 38 - 48.

8. Славин, А.В. Образная модель как форма научно-исследовательского мышления / А.В. Славин // Вопросы философии. - 1968. - № 3. - С. 51 - 62.

9. Жданов, Ю.А. Теория строения органических соединений / Ю.А. Жданов. - М.: Высшая школа, 1971. - 288 с.

10. Петров, А.А. Органическая химия / А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко. - СПб.: Иван

Федоров, 2002. - 624 с.

11. Курашов, В.И. Химия с историко-философской точки зрения / В.И. Курашов. - Казань: КГТУ, 2008. - 523 с.

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

13. Ингольд, К. Теоретические основы органической химии / К. Ингольд. - М.: Мир, 1973. - 1055 с.

14. Быков, Г.В. История электронных теорий органической химии / Г.В.Быков. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 423 с.

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

16. Захаров, В.М. Модельные представления в дисциплине «Органическая химия» / В.М.Захаров, Ф.Ш. Сайфина // Образовательные технологии в системе непрерывного профессионального образования: сб. статей научно-методической конференции КГТУ / Казань: КГТУ, 2006. - С. 255 - 259.

17. 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.

18. Захаров, В.М. Принцип историзма - основа построения введения в органическую химию /

B.М. Захаров // Научная сессия Каз. гос. техн. ун-та. Аннотация сообщений / Казань: КГТУ, 2007. -

C. 189.

© 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.