Инновации в химическом образовании

Становление химии связано с борьбой двух подходов к пониманию целей образования. Даже сейчас ещё не исчерпана аргументация у противников преподавания химии в школе как отдельного предмета.

Первый, который С. И. Гессен назвал формальным, считал, что целью образования является развитие ребёнка [15]. Сторонники формального образования полагают, что его целью не может быть простое приобретение сведений. Всякая информация, с одной стороны, быстро устаревает, а с другой — легко утрачивается учащимися. К тому же сведения так разнообразны, что практически невозможно выделить наиболее значимые из них для ученика, так как сложно определить, что именно в будущем ему пригодится. Следовательно, как полагают сторонники формального образования, его задачей должно быть формальное развитие способностей, мышления, так как развитый человек всегда сможет самостоятельно приобрести необходимые ему в жизни сведения. В связи с этим акцент делается на предметах, развивающих логику, как, например, математика, и дисциплинирующих ум, таких как языки (основа классической гимназии). На практике этот метод реализуется в заучивании определений понятий, постоянными упражнениями, решением задач с освоением его алгоритмов и формул.

Согласно другому направлению, получившему название реального, или материального образования, формальное образование является в сущности воспитанием послушного ума, мыслящего готовыми схемами по преподанным ранее правилам. Поскольку знания, по которым формируется живое мышление, приобретаются из опыта, то школа должна дать ученикам ответ на те вопросы, которые выдвигает окружающая их жизнь, сообщить необходимые ему сведения, обладая которыми человек сможет ориентироваться в жизни и быть полезным членом общества. Поэтому акцент должен быть сделан на изучении естественнонаучных дисциплин. В центре внимания — учебник как книга для чтения, которая должна быть хорошо издана, написана живым, интересным языком, снабжена иллюстрациями, способствующими лучшему запоминанию. Задача учителя состоит в поиске и использовании специальных приёмов, позволяющих усилить наглядность материала, содержащегося в учебнике, вести контроль за усвоением сообщённого знания, глубина которого в этом случае в основном определяется памятью ученика. По существу эти направления — два взгляда на пути познания: через чувственное восприятие и с помощью силы мышления. Естественно, что отмеченные дидактические направления являются крайними и никогда в чистом виде не использовались, поскольку невозможно отделить восприятие, усвоение и осмысление знаний от развития мышления. Эти две позиции — лишь условные границы, между которыми происходили колебания методических исканий универсального метода обучения, отвечающего требованиям времени [16].

Совершенно естественно, что при медленных темпах социального развития знаний и способов деятельности, приобретённых в годы обучения, было достаточно для жизни целого поколения. Однако быстрый рост производства и науки с середины XIX века поставил перед системой образования проблему: как обучать тех, кто постоянно должен переучиваться? При этом возникла дилемма — куда качнуть маятник поиска методики обучения: к развитию плохо информированного ума или ума, перегруженного информацией? Химия, начиная с XIX века, вышла на лидирующее место среди естественных наук и вместе с ними осуществила экспансию своих идеалов во все области человеческого существования, задала новое видение мира, изменила его. Она стала неотъемлемой частью мировой культуры, необходимым условием её существования и воспроизводства. Этим определилась и её роль в формировании современного человека, его мировоззрения и стереотипов поведения. Поэтому стало очевидным, что без усвоения химической культуры нельзя обладать статусом члена современного общества. Школа опытных наук, к которой относится и химия, благодаря своему научному методу даёт прекрасное средство для развития внешних чувств и активной логики (способности расчленять и группировать факты, умение восходить от подмеченных связей к закону явлений, объяснять новую форму явлений с помощью ранее открытых закономерностей), дисциплинирует ум в выработке правильных навыков умственной работы, позволяющих верно воспринимать и обобщать окружающую действительность.

В рамках обучения химии родился совершенно новый подход к методике преподавания. Его стиль был предложен лидерами химической науки. Чтобы современному преподавателю было легче понять этот факт, следует напомнить, что на протяжении большей части развития истории химии научная работа учёных не отрывалась от их преподавательской деятельности. Более того, научные искания в данном случае лишь дополняли в свободное время работу химиков-преподавателей. Достаточно вспомнить Д. И. Менделеева, который разработал периодический закон не как следствие специально поставленного научного исследования, а в результате совершенствования логики преподавания курса химии, работая над учебником «Основы химии».

Кратко рассмотрим методические инновации, возникшие в практике преподавательской деятельности великих химиков, о которых свидетельствуют как написанные ими учебники, так и работы, посвящённые изучению их творчества [17].

М. В. Ломоносов (19.11.1711 — 15.04.1765), по-видимому, был первым, кто в истории преподавания химии положил в основу методики преподавания принцип единства исследования и преподавания. В 1748 году он создал научную химическую лабораторию, в которой проводил занятия. Подобную идею — совмещать научное исследование и преподавание химии — в 1825 году смог реализовать Ю. Либих, чем заложил новый подход к университетскому образованию, который сейчас называется обучающе-исследовательским принципом [18]. Инновационным в методической системе Ломоносова был и междисциплинарный подход: соединение физики и химии в едином предмете. Учёный первым прочитал курс «Введение в истинную физическую химию». Он был одним из первых, кто придерживался точки зрения, что в изучении химических явлений надо использовать количественный подход и применял для объяснения физико-химических явлений атомистические представления. Ещё одной важной ломоносовской инновацией было указание на неразрывную связь науки с производством. Особенно ярко эта мысль выражена им в «Слове о пользе химии»: «Науки художествам путь показывают; художества происхождение наук ускоряют» [19].

С именем Антуана Лавуазье (26.08.1743 — 8.05.1794) связана первая научная революция, в результате которой в химии утвердился количественный метод исследования, появился первый фундаментальный закон — закон сохранения массы веществ, была создана рациональная химическая номенклатура, которая по существу сохранилась до настоящего времени. А. Лавуазье написал «Учебник элементарной химии» (1784), в котором были закреплены новые преобразования в химической науке. Во введении он объяснил важность разработанной химической номенклатуры: «Слово должно рождать представление, представление должно изображать факт… как бы ни были достоверны факты, как бы ни были правильны представления, вы_ званные последними, они будут выражать лишь ошибочные впечатления, если у нас не будет точных выражений для их передачи» [20]. В этом учебнике своё начало берёт ряд важнейших методический принципов. В 1784 году А. Лавуазье декларирует их следующим образом: «…идти от известного к неизвестному и располагать химические факты и истины в том по рядке, который наиболее способствует их пониманию для начинающих»[21]. План построения такого курса носит определённо выраженный логический характер: преподавание начинается с наблюдений и опытов, накопление фактов предшествует знакомству с выводами из них, восхождение начинается с простых элементов к более сложным, не делаются никакие выводы, которые бы не вытекали бы из непосредственного опыта и наблюдения. Сначала создаются представления о веществах и явлениях, а потом им даются названия и определения, химические факты и истины сопоставляются в таком порядке, который был бы способен как можно более облегчить начинающим ознакомление с ними. Основное требование к преподаванию — добиваться доступности и ясности и избегать всего, что могло бы и отвлекать внимание.

Будучи последовательным сторонником эмпирического индуктивного подхода как в науке, так и в обучении, Лавуазье не использовал в своём учебнике теоретических схем для объяснения фактов. Он избежал и атомистических представлений и не дал спорных определений химического элемента. Это была дань научным традициям того времени — избегать схоластики, всякого рода гипотетических утверждений, не подтверждённых фактами.

Английский учитель физики Дж. Дальтон (6.09.1766 — 27.07.1844) в плане умозрительных гипотез был гораздо смелее. Создавая химическую атомистику, он не видел самих атомов и не мог измерить их массы, но он предложил язык — систему понятий и терминов, — на котором, стало возможно вести обсуждение вновь установленных фактов, закономерностей, обобщённых стехиометрическими законами. Только после того как химический элемент приобрёл структурную индивидуальность в виде ограниченного в пространстве атома, наделённого определённой массой, химическое соединение представилось как упорядоченная специальным образом комбинация определённого и всегда постоянного числа атомов. При таком условии состав соединения можно было уже моделировать, изображая на бумаге символы элементов атомов. Дж. Дальтон предложил первые рациональные химические формулы, отражающие химический качественный и количественный состав соединений (заметим, что первые формулы веществ использовались ещё в эпоху алхимии, но они не основывались не на какой-либо теории, а были лишь символами определённых веществ).

Следующий шаг в развитии языка химии, на котором не только можно хранить, но и транслировать химическую информацию в учебной деятельности был сделан Й. Я. Берцелиусом (20.08.1779 — 7.08.1848). В 1818 г. он предложил обозначать символы химических элементов первыми буквами их латинских названий. Этой символикой мы пользуемся до сих пор. Учёный впервые применил для определения классов химических соединений приставки, суффиксы и окончания. Уточнённые им значения атомных масс элементов позволили правильно отражать в формулах их стехиометрические отношения. Для этого Берцелиус ввёл числовые индексы. Всё это позволило не только отражать состав вещества, но и перейти к моделированию химических реакции в виде уравнений.

В истории учебного предмета «Химия», к сожалению, не нашла должного отражения роль, которую сыграл как в становлении химической науки, так и в её преподавании итальянский профессор химии Станисло Канниццаро (13.07.1826 — 10.05.1910). А между тем его заслуга состоит в том, что в химии появился закон Авогадро, произошло чёткое разграничение основных понятий химии и в учебниках химии появилось атомно-молекулярное учение. Проанализировав в своей работе «Конспект курса химической философии» развитие атомно-молекулярных воззрений от Дж. Дальтона и А. Авогадро до Ш. Жерара и О. Лорана, Канниццаро на основе закона Авогадро, чётко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и сделал рекомендации, как определять атомные веса элементов и как составлять формулы веществ, зная их молекулярный вес (основываясь на данных о теплоёмкостях металлов и на плотности пара, а частично и на химических соображениях). Свой подход Канниццаро изложил в брошюре, которую лично раздал всем участникам Международного конгресса химиков в Карлсруэ, открывшегося 3 сентября 1860 года. На этом конгрессе все его предложения были приняты единодушно. С этого времени атомно-молекулярное учение и соответствующий ему химический язык получили всеобщее признание. На заседании Лондонского химического общества 30 мая 1872 года С. Канниццаро прочёл лекцию в честь Фарадея на тему «О пределах и о форме теоретического преподавания химии» [19]. В ней он доказал, что атомно-молекулярное учение должно быть предметом изучения и по химическим, и по педагогическим соображениям, которые заключаются в следующем:

1) атомно-молекулярная теория есть «введение, подготовление, основание изучения превращений веществ», что составляет «настоящий предмет нашей науки»;

2) химические законы (законы определённых и кратных пропорций, законы простых и сложных эквивалентов и объёмов газов) могут быть поняты надлежащим образом только с помощью атомно-молекулярной теории;

3) атомно-молекулярная теория необходима для уяснения происхождения «значения, смысла и употребления химических знаков, формул и уравнений»; 4) атомно-молекулярная теория способствует развитию умственных сил учащихся;

5) усвоение атомно-молекулярной теории позволит учащимся следить за развитием науки.

Сейчас, даже сложно представить, как следует построить методику изучения химического языка, обучения писать формулы и уравнения, не сформулировав основные положения атомно-молекулярного учения. Тем не менее, даже в первом издании «Основ химии» Д. И. Менделеева об атомах упоминается только в десятой главе в связи с рассмотрением атомистической гипотезы строения вещества, рассмотрев до этого без атомистических представлений и основные явления, и основные законы химии, и свойства растворов, и свойства водорода, кислорода и их соединений.

О важной методической роли атомно-молекулярного учения на этапе начального изучения химии указывал и В. Оствальд, который хотя и был противником атомистических представлений в науке (экспериментально в то время не подтверждённых), однако, в своём учебнике для школьников «Школа химии» (1904) он использует представление об атоме, «без которого хотя и можно обойтись, но которое удобное средство, для того чтобы облегчить понимание эмпирических данных» [22].

Инновации в химическом образовании

Становление химии связано с борьбой двух подходов к пониманию целей образования. Даже сейчас ещё не исчерпана аргументация у противников преподавания химии в школе как отдельного предмета.

Первый, который С. И. Гессен назвал формальным, считал, что целью образования является развитие ребёнка [15]. Сторонники формального образования полагают, что его целью не может быть простое приобретение сведений. Всякая информация, с одной стороны, быстро устаревает, а с другой — легко утрачивается учащимися. К тому же сведения так разнообразны, что практически невозможно выделить наиболее значимые из них для ученика, так как сложно определить, что именно в будущем ему пригодится. Следовательно, как полагают сторонники формального образования, его задачей должно быть формальное развитие способностей, мышления, так как развитый человек всегда сможет самостоятельно приобрести необходимые ему в жизни сведения. В связи с этим акцент делается на предметах, развивающих логику, как, например, математика, и дисциплинирующих ум, таких как языки (основа классической гимназии). На практике этот метод реализуется в заучивании определений понятий, постоянными упражнениями, решением задач с освоением его алгоритмов и формул.

Согласно другому направлению, получившему название реального, или материального образования, формальное образование является в сущности воспитанием послушного ума, мыслящего готовыми схемами по преподанным ранее правилам. Поскольку знания, по которым формируется живое мышление, приобретаются из опыта, то школа должна дать ученикам ответ на те вопросы, которые выдвигает окружающая их жизнь, сообщить необходимые ему сведения, обладая которыми человек сможет ориентироваться в жизни и быть полезным членом общества. Поэтому акцент должен быть сделан на изучении естественнонаучных дисциплин. В центре внимания — учебник как книга для чтения, которая должна быть хорошо издана, написана живым, интересным языком, снабжена иллюстрациями, способствующими лучшему запоминанию. Задача учителя состоит в поиске и использовании специальных приёмов, позволяющих усилить наглядность материала, содержащегося в учебнике, вести контроль за усвоением сообщённого знания, глубина которого в этом случае в основном определяется памятью ученика. По существу эти направления — два взгляда на пути познания: через чувственное восприятие и с помощью силы мышления. Естественно, что отмеченные дидактические направления являются крайними и никогда в чистом виде не использовались, поскольку невозможно отделить восприятие, усвоение и осмысление знаний от развития мышления. Эти две позиции — лишь условные границы, между которыми происходили колебания методических исканий универсального метода обучения, отвечающего требованиям времени [16].

Совершенно естественно, что при медленных темпах социального развития знаний и способов деятельности, приобретённых в годы обучения, было достаточно для жизни целого поколения. Однако быстрый рост производства и науки с середины XIX века поставил перед системой образования проблему: как обучать тех, кто постоянно должен переучиваться? При этом возникла дилемма — куда качнуть маятник поиска методики обучения: к развитию плохо информированного ума или ума, перегруженного информацией? Химия, начиная с XIX века, вышла на лидирующее место среди естественных наук и вместе с ними осуществила экспансию своих идеалов во все области человеческого существования, задала новое видение мира, изменила его. Она стала неотъемлемой частью мировой культуры, необходимым условием её существования и воспроизводства. Этим определилась и её роль в формировании современного человека, его мировоззрения и стереотипов поведения. Поэтому стало очевидным, что без усвоения химической культуры нельзя обладать статусом члена современного общества. Школа опытных наук, к которой относится и химия, благодаря своему научному методу даёт прекрасное средство для развития внешних чувств и активной логики (способности расчленять и группировать факты, умение восходить от подмеченных связей к закону явлений, объяснять новую форму явлений с помощью ранее открытых закономерностей), дисциплинирует ум в выработке правильных навыков умственной работы, позволяющих верно воспринимать и обобщать окружающую действительность.

В рамках обучения химии родился совершенно новый подход к методике преподавания. Его стиль был предложен лидерами химической науки. Чтобы современному преподавателю было легче понять этот факт, следует напомнить, что на протяжении большей части развития истории химии научная работа учёных не отрывалась от их преподавательской деятельности. Более того, научные искания в данном случае лишь дополняли в свободное время работу химиков-преподавателей. Достаточно вспомнить Д. И. Менделеева, который разработал периодический закон не как следствие специально поставленного научного исследования, а в результате совершенствования логики преподавания курса химии, работая над учебником «Основы химии».

Кратко рассмотрим методические инновации, возникшие в практике преподавательской деятельности великих химиков, о которых свидетельствуют как написанные ими учебники, так и работы, посвящённые изучению их творчества [17].

М. В. Ломоносов (19.11.1711 — 15.04.1765), по-видимому, был первым, кто в истории преподавания химии положил в основу методики преподавания принцип единства исследования и преподавания. В 1748 году он создал научную химическую лабораторию, в которой проводил занятия. Подобную идею — совмещать научное исследование и преподавание химии — в 1825 году смог реализовать Ю. Либих, чем заложил новый подход к университетскому образованию, который сейчас называется обучающе-исследовательским принципом [18]. Инновационным в методической системе Ломоносова был и междисциплинарный подход: соединение физики и химии в едином предмете. Учёный первым прочитал курс «Введение в истинную физическую химию». Он был одним из первых, кто придерживался точки зрения, что в изучении химических явлений надо использовать количественный подход и применял для объяснения физико-химических явлений атомистические представления. Ещё одной важной ломоносовской инновацией было указание на неразрывную связь науки с производством. Особенно ярко эта мысль выражена им в «Слове о пользе химии»: «Науки художествам путь показывают; художества происхождение наук ускоряют» [19].

С именем Антуана Лавуазье (26.08.1743 — 8.05.1794) связана первая научная революция, в результате которой в химии утвердился количественный метод исследования, появился первый фундаментальный закон — закон сохранения массы веществ, была создана рациональная химическая номенклатура, которая по существу сохранилась до настоящего времени. А. Лавуазье написал «Учебник элементарной химии» (1784), в котором были закреплены новые преобразования в химической науке. Во введении он объяснил важность разработанной химической номенклатуры: «Слово должно рождать представление, представление должно изображать факт… как бы ни были достоверны факты, как бы ни были правильны представления, вы_ званные последними, они будут выражать лишь ошибочные впечатления, если у нас не будет точных выражений для их передачи» [20]. В этом учебнике своё начало берёт ряд важнейших методический принципов. В 1784 году А. Лавуазье декларирует их следующим образом: «…идти от известного к неизвестному и располагать химические факты и истины в том по рядке, который наиболее способствует их пониманию для начинающих»[21]. План построения такого курса носит определённо выраженный логический характер: преподавание начинается с наблюдений и опытов, накопление фактов предшествует знакомству с выводами из них, восхождение начинается с простых элементов к более сложным, не делаются никакие выводы, которые бы не вытекали бы из непосредственного опыта и наблюдения. Сначала создаются представления о веществах и явлениях, а потом им даются названия и определения, химические факты и истины сопоставляются в таком порядке, который был бы способен как можно более облегчить начинающим ознакомление с ними. Основное требование к преподаванию — добиваться доступности и ясности и избегать всего, что могло бы и отвлекать внимание.

Будучи последовательным сторонником эмпирического индуктивного подхода как в науке, так и в обучении, Лавуазье не использовал в своём учебнике теоретических схем для объяснения фактов. Он избежал и атомистических представлений и не дал спорных определений химического элемента. Это была дань научным традициям того времени — избегать схоластики, всякого рода гипотетических утверждений, не подтверждённых фактами.

Английский учитель физики Дж. Дальтон (6.09.1766 — 27.07.1844) в плане умозрительных гипотез был гораздо смелее. Создавая химическую атомистику, он не видел самих атомов и не мог измерить их массы, но он предложил язык — систему понятий и терминов, — на котором, стало возможно вести обсуждение вновь установленных фактов, закономерностей, обобщённых стехиометрическими законами. Только после того как химический элемент приобрёл структурную индивидуальность в виде ограниченного в пространстве атома, наделённого определённой массой, химическое соединение представилось как упорядоченная специальным образом комбинация определённого и всегда постоянного числа атомов. При таком условии состав соединения можно было уже моделировать, изображая на бумаге символы элементов атомов. Дж. Дальтон предложил первые рациональные химические формулы, отражающие химический качественный и количественный состав соединений (заметим, что первые формулы веществ использовались ещё в эпоху алхимии, но они не основывались не на какой-либо теории, а были лишь символами определённых веществ).

Следующий шаг в развитии языка химии, на котором не только можно хранить, но и транслировать химическую информацию в учебной деятельности был сделан Й. Я. Берцелиусом (20.08.1779 — 7.08.1848). В 1818 г. он предложил обозначать символы химических элементов первыми буквами их латинских названий. Этой символикой мы пользуемся до сих пор. Учёный впервые применил для определения классов химических соединений приставки, суффиксы и окончания. Уточнённые им значения атомных масс элементов позволили правильно отражать в формулах их стехиометрические отношения. Для этого Берцелиус ввёл числовые индексы. Всё это позволило не только отражать состав вещества, но и перейти к моделированию химических реакции в виде уравнений.

В истории учебного предмета «Химия», к сожалению, не нашла должного отражения роль, которую сыграл как в становлении химической науки, так и в её преподавании итальянский профессор химии Станисло Канниццаро (13.07.1826 — 10.05.1910). А между тем его заслуга состоит в том, что в химии появился закон Авогадро, произошло чёткое разграничение основных понятий химии и в учебниках химии появилось атомно-молекулярное учение. Проанализировав в своей работе «Конспект курса химической философии» развитие атомно-молекулярных воззрений от Дж. Дальтона и А. Авогадро до Ш. Жерара и О. Лорана, Канниццаро на основе закона Авогадро, чётко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и сделал рекомендации, как определять атомные веса элементов и как составлять формулы веществ, зная их молекулярный вес (основываясь на данных о теплоёмкостях металлов и на плотности пара, а частично и на химических соображениях). Свой подход Канниццаро изложил в брошюре, которую лично раздал всем участникам Международного конгресса химиков в Карлсруэ, открывшегося 3 сентября 1860 года. На этом конгрессе все его предложения были приняты единодушно. С этого времени атомно-молекулярное учение и соответствующий ему химический язык получили всеобщее признание. На заседании Лондонского химического общества 30 мая 1872 года С. Канниццаро прочёл лекцию в честь Фарадея на тему «О пределах и о форме теоретического преподавания химии» [19]. В ней он доказал, что атомно-молекулярное учение должно быть предметом изучения и по химическим, и по педагогическим соображениям, которые заключаются в следующем:

1) атомно-молекулярная теория есть «введение, подготовление, основание изучения превращений веществ», что составляет «настоящий предмет нашей науки»;

2) химические законы (законы определённых и кратных пропорций, законы простых и сложных эквивалентов и объёмов газов) могут быть поняты надлежащим образом только с помощью атомно-молекулярной теории;

3) атомно-молекулярная теория необходима для уяснения происхождения «значения, смысла и употребления химических знаков, формул и уравнений»; 4) атомно-молекулярная теория способствует развитию умственных сил учащихся;

5) усвоение атомно-молекулярной теории позволит учащимся следить за развитием науки.

Сейчас, даже сложно представить, как следует построить методику изучения химического языка, обучения писать формулы и уравнения, не сформулировав основные положения атомно-молекулярного учения. Тем не менее, даже в первом издании «Основ химии» Д. И. Менделеева об атомах упоминается только в десятой главе в связи с рассмотрением атомистической гипотезы строения вещества, рассмотрев до этого без атомистических представлений и основные явления, и основные законы химии, и свойства растворов, и свойства водорода, кислорода и их соединений.

О важной методической роли атомно-молекулярного учения на этапе начального изучения химии указывал и В. Оствальд, который хотя и был противником атомистических представлений в науке (экспериментально в то время не подтверждённых), однако, в своём учебнике для школьников «Школа химии» (1904) он использует представление об атоме, «без которого хотя и можно обойтись, но которое удобное средство, для того чтобы облегчить понимание эмпирических данных» [22].

О важной методической роли атомно-молекулярного учения на этапе начального изучения химии указывал и В. Оствальд, который хотя и был противником атомистических представлений в науке (экспериментально в то время не подтверждённых), однако, в своём учебнике для школьников «Школа химии» (1904) он использует представление об атоме, «без которого хотя и можно обойтись, но которое удобное средство, для того чтобы облегчить понимание эмпирических данных» [22].