Шаг второй. Выбор дидактической единицы. Дидактическая схема курса.

То, что мы выбрали в качестве предметного материала именно понятия валентности и соединения, не случайно. Это связано с нашим представлением о том, какие принципиальные этапы проживала в своей истории химическая наука, а значит и с представлением о том, где лежит основание прорыва на новый уровень развития химического знания.

Эти этапы в химии задаются предметными онтологиями устройства вещества – предельными видениями того, что представляет собой та мельчайшая единица вещества, которая рассматривается в химии. Причем сама эта единица по мере смены онтологий также меняется. В рамках существования в химии той или иной онтологии предметность химии строится на определенном наборе основополагающих понятий, вшитых в онтологическое представление.

Особую важность для нас имеет то, что различные онтологии в химии не развиваются параллельно друг другу: происходит их последовательная смена, появление нового онтологического представления снимает старое представление. При этом на первый план выходят новые, доселе не существовавшие понятия, а старые понятия, приобретая при этом как бы новое, приращенное содержание, отходят на второй план, оказываясь базисом для построения и применения новых понятий.

Эта схема смены онтологий в химии (Схема 1) закладывается в дидактическое устройство курса, и в результате проведения нашего курса учащиеся должны научиться видеть различные онтологии в химии, понимать, какие понятия к какой онтологии относятся, видеть границы возможностей разных онтологических представлений. В рамках курса мы проводим ребят через две онтологии: атомную и структурно-молекулярную. При проживании первой из них, ребята должны построить ряд основополагающих понятий, в рамках проживания второй онтологии ребята должны осуществить саму смену онтологии и построить новое понятие соединения. Третья онтология, показанная на Схеме 1 – это супрамолекулярная онтология, которая строится в настоящие время и как раз задает направление осуществления научного прорыва в химии.

Схема 1

Атомная онтология существовала в химии с конца XVIII и до 60-х годов XIX веков и была связана с представлением о веществе как о сложении или механически неразложимой смеси частей (называемых элементами, простыми землями, простыми элементами и т.д.). Для этой онтологии одним из основополагающих было различение простого и сложного веществ, в котором простое вещество представлялось как раз простейшей частью сложного, в состав которого входят несколько разных типов простых веществ. Важными для нас предметными понятиями, с которыми мы работаем в рамках курса, являются понятия атома и валентности (причем в том виде, как это понятие строилось еще до введения самого термина), а также понятие стехиометрии.

С понятием стехиометрии, или постоянства количественных отношений вступающих в реакцию веществ, напрямую связано с законом постоянства состава веществ. А с этого закона, сформулированного в 1799 году Прустом, собственно, и начинается химия как наука с четко определенным предметом и счетным аппаратом. Пруст основывался на работах И. Рихтера, который в 1793 году сформулировал понятие стехиометрии и показал, что все химические реакции идут с соблюдением правила стехиометричности.

Структурно-молекулярная онтология связана с введением в химию понятия соединения и химической связи между элементами соединения. Соединение уже не является сложным (как бы сложенным из частей) веществом, оно из чего-то соединено. Это соединение частей достигается за счет связей, причем для свойств соединения оказывается важен порядок связей. Понятие химической связи (и ее изображение в формулах) появляется в 1858 году у Кекуле и Купера, а основополагающей для структурной химии работой является, конечно же, доклад Бутлерова «О химическом строении веществ» (1861). Как мы уже указали, для работы в этой онтологии нам необходимо оперировать понятиями химической связи, порядка связей (химическим строением) и, собственно, соединением.

 Последняя из указанных на Схеме 1 онтологий – супрамолекулярная – задает горизонт, направление нашего с ребятами движения, но сама работа с ней выходит за рамки описываемого здесь курса. Тем не менее, необходимо сказать о ней пару слов. Эта онтология строится на рассмотрении процессов, происходящих в веществе без прямого участия в них исследователя (так называемых self-процессов). Она, фактически, должна снять в себе структурную онтологию, рассмотрев структуры веществ только как «замороженные», остановленные во времени «срезы» процессов, протекающих в веществе. Ее появление – это попытка создать химию процессов и ввести в химию представление о времени, которое там, пока что, по сути, не работает. Она берет свое начало в работах Ж.-М. Лена, Ч. Дж. Педерсена и Д. Дж. Крама, получивших в 1987 году Нобелевскую премию за определяющий вклад в развитие химии макрогетероциклических соединений, способных избирательно образовывать молекулярные комплексы типа «гость-хозяин». Прорывное содержание супрамолекулярной химии задается тем, что в ней представления об устройстве веществ базируются на новейших идеализациях процессов самоорганизации материи, которые разрабатываются в настоящее время в рамках квантовой электродинамики Э. Дель Джудиче, Дж. Витиелло и Дж. Препарата.  

Как я уже отмечал, перед нами при разработке курса стояла задача научить школьников построению и работе со схемами так, чтобы они могли за этими схемами видеть их знаниевое (в том числе, понятийное) устройство. Ввиду того, что в предмете химии мы работаем со сменяющимися химическими онтологиями, нам важно, чтобы ребята научились различать эти онтологии и видеть смену онтологий через устройство схем, используемых в каждой онтологии.

Такими схемами в атомной онтологии выступают, конечно же, брутто-формулы (например, CH₄, H₂S, C₆H₆, H₂O), как раз и показывающие из каких и скольких частей сложено то или иное вещество. Все эти формулы по типу соответствуют схеме AXBY. В рамках структурной химии используются уже структурные формулы (например, H─O─O─H), устроенные совсем по другому принципу, чем брутто-формулы. Ребятам предстояло работать именно с такими схемами и разбираться в их устройстве.

Но просто так построить знание об устройстве этих схем и воспроизвести порождение стоящих за ними понятий невозможно. Необходимо четкое понимание того, как устроен переход от одной онтологии к другой и за счет чего этот переход можно осуществить. Тогда станет понятен принцип, удерживающий вместе все типы и предметы работы в рамках курса. Наше видение состоит в том, что смена предметных онтологий в химии происходит за счет смены базовых категорий, организующих мышление химиков. Введение новой категории позволяет построить с ее использованием новые предметные понятия и само принципиально новое онтологическое представление. Таким образом, процесс смены онтологий может быть представлен как процесс снятия одних категорий другими, более сильными. Это означает, что школьники должны научиться анализировать категориальное устройство схем, и тогда они смогут видеть процесс развития химии в целом. Именно категориальная проработка схем является на наш взгляд той ключевой технологией метапредмета «Знак», которая позволяет сформировать у школьников необходимые для работы с передовой наукой способности. Эта технология выбрана нами как основная в устройстве курса.

Нам представляется, что за атомной онтологией стоят категории «состав» и «часть – целое». Это можно видеть даже в используемой терминологии (закон постоянства состава). На смену этой категории приходит снимающая ее категория «элемент – структура», которую и ввели Кекуле и Бутлеров. Эта категория включает в себя рассмотрение состава, но показывает также строение, структуру объекта, имеющего тот или иной состав. Наконец, супрамолекулярная химия связана с введением категории «процесс», снимающей категорию «элемент – структура» и позволяющей видеть структуры всего лишь как остановки, стадии процесса.

Если мы обратим внимание на то, какие термины или просто слова мы используем при описании онтологий и стоящих за ними категорий, то обнаружится, что эти слова фиксируют, по сути, деятельность. Так, говоря о «составе», мы фиксируем, что какие-то части составлены вместе, «сложное» вещество сложено из каких-то частей, при этом получается целое, которое может быть разложено на эти части. Говоря о «структуре», «строении» и «связи» мы подразумеваем, что что-то построено из элементов, соединенных между собой. На ум приходит конструктор, в котором разные элементы, строительные блоки, собираются в конструкцию.

Видение этого – деятельностного – аспекта устройства понятий и категорий является наиболее важным, поскольку категории нашего мышления, также, как и знания, устроены деятельностно. Деятельностное содержание категорий и понятий – это важнейшие для ученого знания, которые мы должны транслировать в рамках курса. Это значит, что ребята сами должны научиться выделять операцию, стоящую за категорией, видеть ее в устройстве понятия, знаков и схем. Все описанные аспекты работы со сменой онтологий в химии можно представить таблицей (Схема 2), которая задает дидактическое устройство описываемого курса.

Схема 2

В связи с тем, что в рамках курса нам необходимо сначала восстановить основания атомной онтологии (что в рамках курса выражено в задаче построить схему понятия валентности), а затем осуществить переход к структурной химии, воспроизведя ситуацию порождения новых представлений, наш курс разделен на два этапа, в соответствии с показанными на Схеме 2 строками таблицы. Схема 2 допускает движение из одной колонки в любые другие, поэтому в рамках нашего курса мы осуществляли движение то от понятий к схемам и категориям, то от схем к категориям и т.д. В работе на занятии чередуются индивидуальное выполнение заданий, групповое обсуждение, индивидуальные и групповые выступления и обсуждение этих выступлений, индивидуальная работа дома.