Важными 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 будущем становятся интеграционные процессы [2]. Следует отметить, что невозможность на данном этапе объединить в современной ЕНКМ многочисленные основные достижения 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 можно свести к уравнению Арениуса .

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

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 хиральности, 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, биологии, 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 (N_A), молекулярную постоянную (R), постоянную Планка (h) и Больцмана (k). 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): . В качестве фундаментальных биологических 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 термодинамику 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 (кондуктометрия, 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 учебных 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 синергетического 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.

Размещено на Allbest.ru