Л.М.КУЗНЕЦОВА

Основы новой технологии
обучения химии

Продолжение. Начало см. в № 4/2009

Структура знания и формирование понятий

Не буду оригинальной, если скажу, что разработка плана урока и его последующее проведение – это процесс творческий. Творчество требует не только вдохновения и воображения, но кропотливого труда и знаний. Чем можно заинтересовать учеников на уроке, если у учителя недостаточно знаний о законах постижения мира человеком, т.е. методологических и психологических знаний?

Учителя применяют различные методы, чтобы заинтересовать ученика своим предметом. Примеров этому можно привести множество.

Вот учитель физики К., приступая к изучению поверхностного натяжения жидкости, спрашивает учащихся: «Смогу ли я положить стальную иглу на воду так, чтобы она не потонула?» Естественно, ученики отвечают отрицательно. Но учитель проделывает это, предварительно натерев иглу мылом. Учеников охватывает острое любопытство: как это стало возможным и почему. На этом чувстве учитель основывает усвоение нового материала.

Вот учитель химии У. пытается заинтересовать ученика, который не хочет заниматься. Учитель знает, что мальчик очень привязан к своей собаке, и использует эту привязанность, предлагая изучить химическим методом, как собака дышит: что вдыхает и что выдыхает.

Вот сельская учительница химии К. связывает решение задачи с происходящим на опыте процессом и ставит перед учащимися практическую задачу.

Могу привести примеры из своего опыта. Так, минеральные удобрения изучаем на уроке, который проводится в форме суда. Адвокат приводит доводы в пользу необходимости использования удобрений. Обвинитель рассказывает об отрицательных последствиях применения удобрений. Все остальные учащиеся выступают в роли свидетелей обвинения или защиты, в зависимости от того, какой дополнительный материал они прочитали. Судья выносит окончательное решение.

Вот урок «Сплавы» в форме круглого стола, когда ученики садятся за сдвинутые вместе столы и рассказывают друг другу о тех сплавах, о которых прочитали в дополнительной литературе. Все добытые самостоятельно данные обобщаются и сводятся в одной таблице.

И все же такие уроки – островки в учебном процессе. Подавляющее большинство уроков – обычный урок с сообщением нового материала.

Но как сильно возросло бы умение учителя интересно и продуктивно построить не отдельный урок, а систему уроков, если бы он владел методологическими знаниями! Прежде всего, необходимо знать формы и структуру человеческого знания об окружающей действительности, о том, как содержание реальности, скрытое от наблюдательного глаза, попадает в мозг человека.

Владея такими знаниями, учитель может осознанно применять те или иные методические приемы, выбирать структуру урока, демонстрацию опытов в нужном ракурсе, мотивированную постановку вопроса.

Пройдя путь учителя-исследователя, могу утверждать, что для выстраивания процесса обучения необходимо знать:

• как происходит процесс добывания человеком знаний об окружающем мире;

• как происходит в онтогенезе процесс усвоения знаний, которые уже добыты человечеством в филогенезе*.

Такие знания помогают не только правильно построить учебный процесс, но и эффективно управлять им.

Рассмотрим структуру человеческого знания. В методической литературе чаще всего говорится о формировании понятий. Нельзя не согласиться с тем, что для эффективного формирования понятий у школьников необходимо знать, что такое понятие, как оно формируется в процессе познания человеком окружающего мира.

Понятие – это основная форма человеческого знания. В целом человеческое мышление является понятийным. Вне понятий нет мышления. Сам процесс мышления можно представить как процесс оперирования понятиями. Понятие связано с другими формами знаний, такими, как теория, закон, принцип, суждение, поэтому о них следует кратко сказать.

Теория – форма научного знания, объяснения тех или иных сторон действительности. Она является мыслительным отражением и воспроизведением реальной действительности. Она возникает в процессе исследования: проблема – гипотеза – теория. Теория является наиболее сложной формой знания, включающей в себя практику, факты, законы, принципы, понятия.

С помощью теории можно разобраться в реальной действительности. Приведем исторический пример. Австрийские химики Л.Пебаль и Э.Фрейнд изучали действие диметилцинка (цинкметил) на фосген. Они провели эксперимент, но понять его не смогли, потому что не существовало теории строения органического вещества, которая помогла бы исследователям. Знаменитый немецкий химик Ф.Велер так характеризовал эту ситуацию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть».

Положение в органической химии стало изменяться после 1861 г., когда А.М.Бутлеров обобщил имеющиеся в ту пору знания по органической химии в положения теории строения органических веществ. Утвердив свою теорию химического строения и руководствуясь ею, он занялся получением изомера бутилового спирта. Для этого он повторил реакцию, в которой не смогли разобраться его австрийские коллеги. Бутлеров понял, что сначала фосген превращается в кетон (ацетон):

Затем образуется металлорганическое соединение:

Наконец, под воздействием воды группа Zn(CH₃) замещается на водород, и образуется изобутиловый спирт:

Теория помогла Бутлерову понять процесс превращений органических веществ и привести его к определенной цели: выделить в качестве продукта изобутиловый спирт.

На этом примере видно значение теории в познании не только химии, но и окружающего мира вообще. Чем глубже человек познает природу с помощью теорий, тем бо?льшие возможности познания открываются перед ним.

В процессе усвоения школьниками знаний по химии теория является важным фактором. Этому придавали большое значение наши крупнейшие методисты. Однако надо помнить, что всякая теория имеет ограничения, она применима в определенных рамках.

Например, теория валентных связей не может объяснить существование таких молекул, как O₂, NO, NO₂, HNO₃ и др. Если предположить, что в молекуле кислорода две связи О=О, то нельзя объяснить существование двух неспаренных электронов в этой молекуле, оказывающих влияние на парамагнитные свойства кислорода. Зато явление парамагнетизма объясняется другой теорией – теорией молекулярных орбиталей.

Точно так же невозможно объяснить возникновение связей в азотной кислоте. Но, тем не менее, мы упрямо твердим о четырехвалентности азота, хотя это вызывает неустранимое противоречие.

В самом деле, проанализируем предлагаемые в некоторых учебниках модели химических связей в молекуле HNO₃:

Модель а показывает, что атом азота имеет три -связи и одну делокализованную -связь. Любителей четырехвалентного азота это весьма устраивает: азот связан тремя -связями с соседними атомами, кроме того, возникает еще одна -связь, которая делокализуется в пределах группы NO₂. Но обратим внимание на кислород. Каждый атом кислорода имеет одну -связь и половину -связи. Таким образом, кислород в азотной кислоте получается полуторавалентным. Как объяснить это школьнику?

Не лучше дело обстоит и с так называемой семиполярной связью (модель б). Согласно этой модели азот образует четыре ковалентные связи и одну ионную. Так чему же тогда равна его валентность: четырем или пяти? Но самое главное заключается в том, что такая формула – полная фантазия. Такая форма молекулы азотной кислоты существовать не может. Атом азота имеет настолько высокую энергию ионизации (1402 кДж/моль), что сродства к электрону у кислорода (141,8 кДж/моль) недостаточно для отнятия электрона от атома азота.

Желание втиснуть в теорию все факты и явления, показать неуязвимость теории вредит обучению, формирует у детей ненаучный подход к объяснению действительности. Не следует прибегать к ухищренности, чтобы определить валентность азота в азотной кислоте. Достаточно определить его степень окисления, чтобы понять поведение азотной кислоты в химических реакциях.

Теорию валентных связей следует применять в определенных рамках. Не укладывающиеся в нее факты служат стимулом развития теории или замены ее на другую. К этому надо относиться диалектически.

Таким образом, не следует в обучении ни игнорировать роль теорий, ни абсолютизировать их.

Законы отражают внутреннюю существенную связь явлений, обусловливающую их закономерное развитие. Закон выражает определенный порядок причинной и устойчивой связи между явлениями или свойствами материальных объектов, повторяющиеся существенные отношения, при которых изменение одних явлений вызывает вполне определенные изменения других. Понятие закона близко к понятию сущности изучаемого объекта, которая представляет собой совокупность глубинных связей и процессов. Познание закона предполагает переход от явления к сущности.

Так, при определении количества вещества газов мы пользуемся устойчивым отношением давления, температуры и объема газа – законом Бойля–Мариотта. Каждый раз, используя молярный объем газа 22,4 л/моль, мы не должны забывать, что этот объем приблизительно соблюдается только для нормальных условий. При температуре 20 °С он будет другим (24 л/моль при нормальном давлении).

Кроме того, молярный объем зависит от силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому далеко не все газы имеют одинаковый молярный объем даже при нормальных условиях. Так, молярный объем диоксида азота NO₂ равен 31,25 л/моль, а хлора Cl₂ – 20,3 л/моль. Это значительные отклонения, поэтому нельзя пользоваться привычным молярным объемом для этих газов.

Таким образом, мы видим, что и закон также имеет границы применимости.

Суждение – форма отображения в мышлении связи между объектом и его свойствами, выражающая либо истину, либо ложь. Так, например, ученик отвечает: «Катализатор вступает в реакцию и снижает энергию активации». Другой ученик может сказать: «Катализатор ускоряет реакцию, но не вступает в нее». Одно суждение выражает истину, другое – ложь.

Ложные суждения возникают чаще всего тогда, когда человек не понимает существа дела. В самом деле, при осуществлении каталитической реакции на входе имеем исходные вещества и катализатор, на выходе – продукты реакции и катализатор. Можно сделать вывод, что катализатор только присутствует. Иногда мы позволяем себе называть катализатор волшебной палочкой. Так и формируются ложные представления у учащихся. Необходимо вскрыть сущность явления. Для начала реакции энергия частиц должна достичь определенной энергии. Когда катализатор вступает в реакцию, то энергетический барьер снижается. Но в ходе процесса вещество-катализатор снова восстанавливается в прежнем виде. Таким образом, внешний эффект (как говорят философы, «кажимость») не вскрывает сущности явления и рождает ложное представление. Этого следует избегать в учебном процессе. Иначе нарушается один из важных дидактических принципов – принцип научности.

Суждение включает в себя понятия. В данном случае ученики оперируют понятиями «катализатор» и «скорость химической реакции». При правильном раскрытии содержания понятий и суждения будут истинными.

Суждения в структуре человеческого знания имеют большое значение, т.к. законы, теории выражаются в форме отдельных суждений.

Умозаключение – рассуждение, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых посылками умозаключения, выводится новое суждение, логически вытекающее из посылок по принципу межрефлекторного совмещения информаций.

Предположим, ученикам дается задание сопоставить молекулярные массы и температуры плавления озона и кислорода. Они выводят следующие суждения:

• молекулярная масса озона больше, чем кислорода;

• температура плавления озона ниже, чем кислорода.

Из этих суждений школьники выводят умозаключение по принципу самостоятельного созидания нового знания: температура плавления вещества зависит от его молекулярной массы.

Наконец, следует рассмотреть начальный пункт всякой формы знания – факт. Факт определяют как действительное, вполне реальное событие, явление, то, что действительно произошло. Факты считаются основой науки. Это та реальность, отраженная в знании, которая подвергается анализу и служит основой формирования суждений, понятий, законов, теорий.

Однако в сознании человека факт может отражаться не всегда адекватно его природе. С этим явлением мы сталкиваемся и в повседневной жизни: разные люди по-разному воспринимают одно и то же событие. Примеры из истории наглядно показывают, что на восприятие фактов влияют политика, позиция интерпретатора, умение анализировать и т.д.

Австрийские химики осуществили реакцию фосгена с диметилцинком. Факт есть, реакция происходит. Но ученые не смогли его интерпретировать, понять, что получилось в результате реакции, поэтому этот очень значимый факт ничего не дал науке. Понадобилась теория Бутлерова, чтобы этот факт был понят и вписался в содержание науки. Отсюда следует вывод: факты сами по себе немного дают для познания человеком окружающего мира. Имеет значение их интерпретация, понимание.

Как было уже сказано, объективная реальность повернута к человеку внешней стороной. Сущность ее скрыта. Она лежит в глубине. Когда сущность вскрывается, тогда в сознании формируется понимание реальности, т.е. понятия.

Понятие – одна из форм отражения мира в мышлении, с помощью которой познается сущность явлений, объектов, обобщаются их существенные стороны и признаки. Поскольку мышление человека понятийно, то в процессе обучения формированию понятий уделяется много внимания.

Сущность не может быть вскрыта полностью и сразу. К ней человеческое сознание приближается постепенно, поэтому понятие следует воспринимать как исторически развивающийся продукт познания. Понятие совершенствуется, уточняется, при этом формируются новые понятия. Понятия не статичны, не окончательны, не абсолютны, а находятся в состоянии развития, изменения, отражая реальность все более глубоко и адекватно.

В методике советского периода всегда уделялось большое внимание развитию понятий. Формирование понятия имеет три фазы:

• предварительный период,

• формулирование определения,

• развитие с постепенным углублением.

Однако пути формирования понятий в советской дидактике признавались многовариантными. И само понятие понималось не так, как в теории познания. В связи с этим в педагогической практике, в методических рекомендациях, в учебниках допускается много ошибок, что ведет к искажению содержания понятия в сознании учащихся, к его формализации.

Так, в современных учебниках можно встретить выражение «Сформулируйте понятие…» Это свидетельствует о том, что для авторов таких учебников определение понятия и само понятие тождественны. В определении выражается наиболее существенная сторона понятия, по которой можно отличить данное понятие от других. Но в нем не может заключаться все содержание понятия. Это содержание глубоко и широко, его не охватить в рамках определения. Понятие может включать огромный запас знаний.

Например, понятие «вещество» включает в себя одну из форм существования материи, все разнообразие существующих веществ, все их свойства, строение, состав, различные параметры. Иными словами, все то, что включает в себя атомно-молекулярная теория, теории строения атомов, химической связи, стереохимического строения, физические, термодинамические, химические свойства, которые выражаются в химических реакциях. Таким образом, все химические теории, объясняющие строение, состав, свойства вещества, входят в понятие «вещество».

В то же время всегда можно свернуть содержание понятия и оперировать им как единицей знания, которое входит не только в теорию, но даже в суждения и умозаключения. Таким образом, понятие и теория – взаимопроникающие и взаимопревращающиеся формы познания.

Чтобы лучше представить содержание понятия, рассмотрим структуру понятия «оксиды» (рисунок). В определении этого понятия указывается состав, как наиболее существенная сторона. Но этим знанием не исчерпывается содержание понятия. Так мы узнаем, что оксиды имеют разнообразную молекулярную и немолекулярную структуры, обладают осно'вными, кислотными или амфотерными свойствами; узнаем, в какие реакции вступают оксиды (кислотно-основные, окислительно-восстановительные, реакции соединения и разложения и т.д.); исследуем их физические свойства, открываем уникальные свойства, принадлежащие отдельным представителям. Многое остается непознанным, многое находится в стадии открытия, поэтому абсолютно полное содержание понятия «оксиды» не может быть достигнуто. Мы останавливаемся в данный момент на том, что уже достигнуто наукой. И все, что мы знаем об оксидах, составляет понятие (понимание) оксидов. Таким образом, понятие представляет собой открытую систему.

Знания об оксидах формировались постепенно по мере развития химии. Мы знаем, что оксиды не сразу были отделены от других классов. А.Лавуазье выделял ряд простых веществ, относя их к солеобразующим веществам: «1) известь (известковая земля), 2) магнезия (основание эпсомской соли (старинное название MgSO₄•7H₂O. – Л.К.)), 3) барит (тяжелая земля), 4) глинозем (глина, квасцовая земля, основание квасцов), 5) кремнезем (кремнистая земля, остекловывающаяся земля)». Как видим, оксиды не отделяются от гидроксидов (основание эпсомской соли, основание квасцов) и солей (квасцы). Но в те времена химики были заняты не столько определением состава, сколько свойств веществ. Изучение свойств и явилось периодом накопления знаний о веществах различных классов. Эти знания позднее позволили определить состав веществ, в том числе оксидов, выделить их в отдельный класс.

Как известно, состав веществ определяют с помощью анализа, т.е. расчленяя вещество на части. Противоположно анализу, синтез также доказывает состав вещества. Обращаясь снова к Лавуазье, вспомним, как он определял состав воды. Сначала он провел синтез воды, сжигая водород в кислороде. Надо отметить, что первым этот опыт проделал Г.Кавендиш, но он, стоя на позициях теории флогистона, сделал неверные выводы из этого факта. Лавуазье же интерпретировал проведенную реакцию правильно: «Вода отнюдь не является простым веществом, но она полным своим весом состоит из горючего воздуха (т.е. водорода. – Л.К.) и живительного воздуха (кислорода. – Л.К.)». Позднее он рассчитал отношение объемов обоих газов, равное 12 : 22,9, т.е. почти 1 : 2. Впоследствии в знаменитом опыте он разложил воду, пропуская ее пары через раскаленный ружейный ствол. Так он провел анализ воды.

Анализ и синтез – это не просто химические методы определения состава вещества, а всеобщие методы познания объективной реальности, и не только практические, но и мыслительные. Этимологически эти слова означают: analysis – разложение, расчленение; synthesis – соединение, сочетание.

Человеческое познание идет путем мысленного разложения объекта или явления на части с последующим соединением этих частей, т.е. из частей воссоздает целое, единое.

Мысленный анализ познаваемого объекта или явления происходит с помощью абстрагирования. Термин «абстрагировать» (от лат. abstrahere – отвлекать) означает мысленное отвлечение отдельных свойств (сторон) объектов. Например, ряд объектов: крыша дома, забор, листва деревьев, кружка, ткань, – имеют один – зеленый – цвет. Мысленно мы отвлекли (абстрагировали) цвет от разнородных предметов и сформировали абстрактное понятие «зеленый цвет». Абстрагирование – это врожденное свойство человеческого сознания. Более того, сначала человек видит различия предметов, а это значит, что он абстрагирует (мысленно отвлекает) такие стороны предметов, которые не являются у них одинаковыми.

В доказательство того, что абстрагирование предшествует обобщению (синтезу) можно привести пример из языка дикого племени, в котором для птицы существовало два названия «летящая птица» и «сидящая птица». Племя еще не пришло к такому уровню обобщения, чтобы объединить эти понятия. Зато каждый охотник знает, что сидящую птицу легко пронзить стрелой, а летящую – трудно. Это для охотников племени является существенным различием, что и не позволяет произвести обобщение двух абстракций.

Синтез как форма мысленного действия есть сведение отдельных абстракций (сторон, свойств) в единое целое. Из отдельных абстракций, т.е. свойств, составляется понятие.

В методике и педагогической практике часто упоминают абстрактное и конкретное понятия. Под абстрактным понятием понимают нечто высоконаучное, недоступное уму школьников, абстрагированное от реальности, чувственности. В дидактике можно встретить отождествление конкретного с частным, данным в ощущении. Это совершенно недопустимо.

В теории познания под абстрактным понимают абстрагированную сущность познаваемого объекта. Абстрактное – всегда обедненное знание, оторванное от полного содержания объекта.

Конкретное понятие (от лат. concretus – сгущенный, уплотненный, сложный) – это богатое, сложное знание об объекте, включающее в себя множество абстракций, сторон объекта, их отношений и взаимосвязей. Конкретное понятие позволяет изучить объект в полном объеме.

Для формирования у школьников какого-либо конкретного понятия мы отбираем из всего многообразия наиболее существенное, наиболее общее. Этот процесс очень длительный и протекает в течение всего курса неорганической химии. Так, при формировании понятия «оксиды» сначала школьники знакомятся с их получением при горении веществ в кислороде, с их составом, определением понятия. Затем изучают реакции с водой (делят оксиды на основные и кислотные), с кислотами и основаниями, друг с другом. Понятие «оксиды» все время обогащается, становится все более конкретным (сложным, богатым), уточненным.

Когда школьники изучают отдельные химические элементы, они знакомятся со свойствами их оксидов: оксидами кальция, фосфора, серы, азота, железа и т.д. Понятие каждого из оксидов включает в себя более полное знание, чем знание, заключенное в абстракции и выведенное в определении. Например, изучая оксид железа(III), учащиеся узнают его состав в соответствии с валентностью железа, как этот оксид получается, как он реагирует с кислотами, кислотными оксидами, какой гидроксид ему соответствует, каковы его окислительные свойства.

Все эти знания продолжают обогащать понятие оксидов, следовательно, продолжают его формировать.

Формирование понятия имеет закономерную последовательность: абстрагирование отдельных сторон понятия, установление между ними взаимосвязей и взаимозависимостей, воспроизведение понятия в целом как единой системы.

Становится понятным, почему нельзя не только «сформулировать понятие», но и считать, что на определении заканчивается формирование понятия.

Дети часто формулируют определения по своей схеме: «Вещество – это когда...» Следует их научить давать формулировки. Чаще всего определения формулируют, указывая ближайший род и существенный признак понятия. Представим это схемой:

На уроке, на котором формулируем определение понятия «оксиды», дети выделяют ближайший род: это сложные вещества. Существенный признак выявляется в ходе сравнения свойств различных оксидов. Учащимся можно предоставить оксиды, различающиеся по агрегатному состоянию, цвету, температурам плавления. Можно предоставить ряд образцов: оксид железа(III), оксид меди, оксид кремния, оксид углерода(IV), оксид азота(IV), вода (оксид водорода). В результате школьники приходят к выводу, что общим и существенным у оксидов является состав. Они формулируют определение. При этом у детей формируется правильная научная речь.

При определении понятий, которым трудно дать формулировку, прибегают к описанию, сравнению, указанию, характеристике. Такие понятия требуют достаточно свободного обсуждения.

---

* Филогенез – историческое развитие организма. Онтогенез – индивидуальное развитие организма.

Продолжение следует