Место химии в интеграционном изучении естественных дисциплин

Выступление на Восьмом московском
педагогическом марафоне учебных предметов
7 апреля 2009 года

Как глобальные проблемы, стоящие перед человечеством (продовольственная, энергетическая, экологическая и т.д.), так и пути их решения с помощью бурно развивающихся направлений научно-технического прогресса (биотехнологии, генной инженерии, нанотехнологии и др.) немыслимы без химии. Очевидно, если определять место химии среди естественных наук, следует согласиться с замечательными популяризаторами химической науки Т.Брауном и Г.Ю.Лемеем, которые свой знаменитый бестселлер так и назвали: «Химия – в центре наук» (М.: Мир, 1983).

Центральное положение химии в естественно-научном мире диктует поиски оптимальных путей реализации ее интеграционных взаимодействий с другими науками. Немаловажную роль эта интеграция играет на заключительном этапе изучения естественно-научных дисциплин в средней школе. Средством к достижению наилучшего результата в этом, на наш взгляд, являются основы философских знаний, получаемых старшеклассниками в курсе обществознания. Недаром все естественные науки произошли именно из философии.

Философские категории формы и содержания, причины и следствия, закономерности и случайности, общего, особенного и единичного и другие могут служить дидактической основой для реализации интеграционных тенденций в обучении. Эти категории играют значительную роль и во внутрипредметном взаимодействии двух школьных курсов, автономно представленных в школьном обучении, – неорганической и органической химии. Интеграция их в единую химическую науку на основе общих понятий, законов и теорий позволяет более эффективно формировать у старшеклассников целостную химическую картину мира как неотъемлемую часть единой естественно-научной картины мира.

Покажем, как мы реализуем внутри- и межпредметную интеграцию обучения химии в выпускном классе средней школы на основе философских категорий формы и содержания при рассмотрении способов существования химического элемента. Мы остановились на этой теме потому, что именно ею начиналось изучение химии в 8-м классе, где уже на первом уроке давались первоначальные представления о таких способах существования химического элемента, как свободные (изолированные) атомы, простые вещества и соединения нескольких химических элементов (сложные вещества). Обобщающий итоговый семинар в 11-м классе позволит выпускникам оценить, как существенно изменились эти первоначальные представления, как они гармонично эволюционировали на основе внутрипредметной (между органической и неорганической химией) и межпредметной (в первую очередь с физикой) интеграции в целостные и многогранные естественно-научные понятия.

Опорным конспектом такого семинара может служить следующая таблица (табл. 1).

Таблица 1

Взаимосвязь философских категорий формы и содержания
на примере способов существования химического элемента

1. Свободные (изолированные) атомы.

Рассмотрение этого способа существования химического элемента позволяет учащимся усвоить суть современного определения понятия «химический элемент» как вида атомов с одинаковым зарядом ядра (числом протонов в нем). Именно эта характеристика и является содержанием данного понятия. Свойства разных изотопов одного и того же элемента (например, изотопов хлора, аргона и калия) одинаковы потому, что одинаковы заряды их атомных ядер. Следовательно, делают вывод старшеклассники, определяющим параметром в понятии «химический элемент» является его содержание, а не форма (разные изотопы одного элемента, различающиеся своей относительной атомной массой).

Однако, подчеркивает учитель, форма не пассивна. Она оказывает влияние на содержание. Широко известная русская поговорка: «Встречают – по одежке, провожают – по уму» полностью соответствует этому. В химии влияние формы на содержание можно рассмотреть на примере изотопов водорода. Одинаковое содержание (один протон и, соответственно, заряд атомного ядра, равный +1), тем не менее, не обуславливает одинаковых свойств изотопов водорода – они настолько различны, что им даже присвоены собственные химические символы и названия: H – протий, D – дейтерий, T – тритий. Протий образует легкую воду, а дейтерий – тяжелую. Ученик – ассистент учителя – делает небольшое сообщение о различии в свойствах и применении легкой и тяжелой воды. Он же рассказывает, что если протий – это перспективное, экологически безопасное топливо, то тритий – основа термоядерных процессов, протекающих на Солнце или при взрыве водородной бомбы.

На вопрос учителя о том, в чем причина такого различия между изотопами водорода и изотопами рассмотренных ранее элементов, учащиеся отвечают, что она кроется в кратном различии значений относительных атомных масс у изотопов водорода и незначительном (долевом) различии в значениях относительных атомных масс у изотопов аргона, калия или хлора.

2. Простые вещества.

Рассмотрение этого способа существования химического элемента позволяет учащимся усвоить понятие «аллотропия» как явление образования одним химическим элементом (категория содержания) различных простых веществ (категория формы). Существование различных модификаций одного и того же химического элемента показывает школьникам, что форма не пассивна, она активно влияет на свойства. В свою очередь, рассмотрение свойств различных форм существования одного и того же химического элемента дает возможность раскрыть старшеклассникам взаимосвязь философских категорий причины и следствия, т.е. зависимость свойств химических веществ от их строения.

Учащиеся сами называют причины аллотропии:

– разное число атомов в молекуле, т.е. взаимосвязь качества и количества (на примере аллотропных видоизменений кислорода – простых веществ кислорода О₂ и озона О₃);

– разное строение кристаллических решеток (на примере аллотропных видоизменений фосфора – красный фосфор имеет атомную кристаллическую решетку, а белый – молекулярную и, соответственно, формулу Р₄).

Учитель подчеркивает: все аллотропные модификации углерода – алмаз, графит, карбин, фуллерен, углеродные нанотрубки – имеют атомные кристаллические решетки, но разные свойства. Почему? Учащиеся непрофильных по отношению к химии классов называют еще одну причину аллотропии – разную геометрию атомных кристаллических решеток у разных аллотропных модификаций: у алмаза – объемная тетраэдрическая кристаллическая решетка, у графита – плоскостная, у карбина – линейная. Учащиеся профильных классов раскрывают причину этих различий в геометрии кристаллов как следствие различных типов гибридизации орбиталей атома углерода: sp³ – у алмаза, sp² – у графита, фуллерена, нанотрубок и sp-гибридизация – у карбина.

3. Сложные вещества.

Рассмотрение этого способа существования химического элемента позволяет учащимся усвоить понятие «изомерия» как явления существования различных веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав (химическую формулу), но разные свойства. В этом способе существования химического элемента влияние формы (строения изомера) на свойства вещества еще более существенно.

Универсальность понятия «изомерия», которое в сознании учащихся связано только с органической химией, учитель раскрывает на неорганических изомерах, например на синтезе Ф.Велера, который, пытаясь получить неорганическое соединение – цианат аммония, получил органическое – карбамид. Рассмотрение строения роданида аммония NH₄SCN и тиомочевины (NH₂)₂CS позволит учащимся спрогнозировать свойства первого соединения (на базе знаний качественных реакций на катион аммония и роданид-анион), которые не характерны для второго.

Еще большую возможность в реализации внутрипредметных связей предоставляет применение философской категории относительности истины в обучении химии. Содержание беседы на этом этапе семинара может быть следующим.

Так, подчеркивает учитель, деление элементов на металлы и неметаллы относительно. Учащиеся приводят примеры такой относительности. Целый ряд химических элементов обладает пограничными свойствами: это и германий, и сурьма, и олово.

Учитель акцентирует внимание учащихся на одном из наиболее ярких примеров химической относительности: на двойственном положении водорода в двух резко полярных группах периодической системы Д.И.Менделеева. Учащиеся вскрывают причину этого. Своеобразным обобщением завязавшейся беседы может служить таблица (табл. 2).

Таблица 2

Положение водорода в периодической системе Д.И.Менделеева

Затем учитель повторяет типологию химической связи и просит учащихся доказать, что она носит условный характер. Старшеклассники аргументируют свою позицию следующими фактами: ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи; металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществленных электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и ионами металлов. Учитель подчеркивает, что в веществах, как правило, отсутствуют «предельные» случаи химической связи. Например, фторид лития относится к соединениям ионного типа. Фактически же химическая связь в нем на 80 % ионная и на 20 % ковалентная. Учащиеся в качестве веского аргумента условного характера типологии химической связи приводят утверждение о том, что различные типы химических связей могут наблюдаться в одних и тех же веществах: щелочи, соли кислородсодержащих кислот, соли аммония, пероксиды щелочных и щелочно-земельных металлов.

Последний аргумент в пользу относительности деления химических связей на типы, который приводят учащиеся, – это переход одного типа связи в другой, например ковалентной полярной в ионную при электролитической диссоциации.

На просьбу учителя доказать относительность деления полимеров на органические и неорганические учащиеся (в первую очередь профильных классов) называют элементоорганические полимеры, например, кремнийорганические полимеры – силиконы, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности, медицине и быту.

Таком образом, учащиеся приходят к выводу, что в окружающем мире не так много абсолютных истин, этот мир нарисован не только черной и белой красками. Мир, в котором мы живем, многолик, многогранен, многоцветен и прекрасен.

Xимия может выступать как центр интегрированного обучения предметам естественного цикла при изучении единого программного материала на основе связи с жизнью.

Покажем, как это можно осуществить при изучении водородной связи в теме «Химическая связь» (11-й класс). В этом случае межпредметные связи химии, биологии и физики интегрируются при показе социально значимого блока знаний.

Учитель акцентирует внимание учащихся на том, что, в отличие от других типов связи, которые имеют обобщенные названия (ионная, атомная или ковалентная, металлическая), водородная имеет конкретное название, что связано с особенностями строения атома водорода. Учащиеся без труда называют эти особенности: единственный протон в ядре и единственный электрон на электронной оболочке, потеря которого превращает атом в элементарную частицу, малый радиус и т.д.

Раскрывая двойственный механизм возникновения водородной связи (электростатический и донорно-акцепторный), учитель обращает внимание старшеклассников, что на природу этой связи у физиков и химиков нет единой точки зрения. Физики рассматривают водородную связь как разновидность межмолекулярного (вандерваальсова) взаимодействия, химики – как особый тип химической связи. С химиками солидарны биологи, это не случайно. Именно внутримолекулярная водородная связь является основой нативной (природной) структуры биополимеров: вторичной структуры белков, комплементарности двойной спирали ДНК. Однако и физики в чем-то правы. Энергетически водородная связь по сравнению с другими типами химических связей очень слабая. Разнообразные факторы окружающего мира легко могут разрушать эту чрезвычайно нежную химическую связь. В результате происходит нарушение природной структуры биополимера – его денатурация. Этот процесс может быть обратимым и необратимым. Для восстановления нативной структуры биополимера, нарушенной в результате воздействия различных денатурирующих факторов (механических, температурных, химических, ультрафиолетовых, электромагнитных, радиоактивных) необходимо создать соответствующие условия. Очевидно, что именно этим определяются условия труда (сокращенный рабочий день, спецпитание, длительный отпуск и т.д.) для работников вредных производств (горняков, шахтеров, водителей метропоездов, работников химических производств и горячих цехов, рентгенологов и др.).

Внутримолекулярная водородная связь, подчеркивает учитель, является основой реакций матричного синтеза в биологии: редупликации (самоудвоения) ДНК, транскрипции (переписывания информации с ДНК на иРНК), трансляции (передачи информации с иРНК с помощью тРНК на синтезируемый белок). Учащиеся делают вывод, что водородная связь – основа наследственности, неотъемлемого и важнейшего свойства живого. Вместе с тем, если происходит сбой в процессе реакции матричного синтеза – мутации – возникают новые признаки живых организмов. Следовательно, делают вывод учащиеся, водородная связь – также основа и изменчивости.

В заключение учитель раскрывает прикладное значение межмолекулярной водородной связи:

– она определяет тот факт, что низкомолекулярные соединения – неорганические (вода) и органические (спирты, карбоновые кислоты) – при обычных условиях ассоциированы в жидкости;

– она является основой легкого перехода некоторых веществ из газообразного состояния в жидкое и обратно, т.е. возможность их применения в качестве хладагентов (например, использование в промышленных холодильниках аммиака);

– она объясняет старую химическую истину, известную еще алхимикам, о том, что подобное растворяется в подобном.

Используя химию в качестве центра интеграционного обучения предметам естественно-научного цикла, учитель получает возможность раскрыть ее роль в таких современных направлениях развития научно-технического прогресса, как биотехнология, генная инженерия, нанотехнология.

Наши рекомендации по проведению интегрированных (межпредметных) семинаров были даны на страницах газеты «Химия – Первое сентября» (2008, № 24; 2009, № 1). Применение интеграционных технологий позволяет придать процессу обучения химии активный, деятельностный характер, отражающий личностные предпочтения и интересы учащихся, или, выражаясь образно, как сказал один известный популяризатор химической науки М.Фримантл, такие технологии дадут возможность использовать «химию в действии».

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
профессор
Педагогической академии
последипломного образования