Философские и психологические основы дидактики (на примере обучения химии)
Подтвердим это примером, приведённым в психологической литературе [36]. Практикантам-геологам было дано задание описать геологический разрез. Среди геологов оказался бухгалтер, который составить описание не смог. Он воспринял разрез как крутой берег с обнажённым грунтом. Здесь проявилось широко известное явление, с которым каждый любознательный человек сталкивался в своей жизни: смотрим, но не видим (мозг не фиксирует внешний образ), слушаем, но не слышим (не можем вникнуть в услышанное в силу своей неосведомлённости).
Студенты-геологи выполнили описание в той или иной степени, руководствуясь научной теорией. Им было понятно содержание геологического обнажения: за отдельными слоями разных пород они видели историю возникновения минералов и пород, включения для них свидетельствовали об исторических периодах, в которые сформировались слои, и т. д., то есть они увидели больше стороннего наблюдателя, заметили всё то, что в зримом обнажении не представлено.
Приведём пример из истории химии [82]. Австрийские химики Л. Пебаль и А. Фрейнд изучали действие цинкметила на фосген. Они провели эксперимент, но понять его содержание не смогли.
Им не хватало теоретической основы, которая помогла бы исследователям осмыслить и оценить результат их эксперимента.
Знаменитый немецкий химик Ф. Вёлер так характеризовал ситуацию в органической химии, представлявшей собой множественность несистематизированных и не связанных между собой фактов: «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». В письме к Ю. Либиху он писал: «Я полностью согласен с тобой, что для того, чтобы в естествознании понять факты, надо уже иметь в голове определённую идею…» [11].
Положение в органической химии стало изменяться после 1861 года, когда А. М. Бутлеров, утвердив свою теорию химического строения и руководствуясь ею, занялся получением изомера бутилового спирта. Для этого он воспользовался реакцией, в которой не смогли разобраться его австрийские коллеги. Бутлеров понял, что сначала фосген превращается в кетон (ацетон), затем образуется металлоорганическое соединение, на следующем этапе металлоорганическая группа замещается атомом водорода с образованием изобутилового спирта.
Теория помогла Бутлерову понять процесс превращений фосгена и привести этот процесс к определённой цели – выделить в качестве продукта изобутиловый спирт, то есть целенаправленно синтезировать изомер.
На этом примере видно значение теории в познании не только химии, но и окружающего мира вообще. Чем глубже человек познаёт природу с помощью теорий, тем бо́льшие возможности познания открываются перед ним.
В процессе усвоения школьниками учебного предмета теория является важным компонентом знаний. Она помогает ученику понять и объяснить явления окружающей его действительности, то есть сформировать ЗНАНИЕ и МЫШЛЕНИЕ. Этому придавали большое значение наши крупнейшие учёные-педагоги и методисты. Поэтому развитие методики учебных предметов шло в сторону введения теорий и приближения их к началу изучения учебного предмета.
Однако надо помнить, что всякая теория имеет ограничения, она применима в определённых рамках. Например, в химии теория валентных связей не может объяснить существование многих молекул, таких 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, следовательно, проявление реальных парамагнитных свойств кислорода. Зато это явление (парамагнетизм) объясняется другой теорией – теорией молекулярных орбиталей. Но в рамках этой теории нельзя определить число связей между атомами кислорода, а только возникновение четырёх связывающих и четырёх разрыхляющих орбиталей. На этих орбиталях находятся восемь связывающих и шесть разрыхляющих электронов. Два связывающих электрона не спарены, так как находятся на двух энергетически равноценных молекулярных орбиталях. Это и приводит к парамагнетизму молекулы. В связи с такими представлениями невозможно наглядно изобразить структурную формулу кислорода.
Точно так же невозможно в рамках теории валентных связей объяснить возникновение химических связей в молекуле азотной кислоты. Принято считать, что азот в этой молекуле четырёхвалентный. Но это утверждение вызывает неустранимое противоречие.
В самом деле, проанализируем предлагаемые в некоторых учебниках [34] модели (а, б) химических связей в молекуле HNO3:
Модель а показывает, что атом азота имеет три σ-связи и одну делокализованную π-связь, то есть является условно четырёхвалентным. Но обратим внимание на атом кислорода. Каждый из них имеет одну σ-связь и половину π-связи. Таким образом, кислород в азотной кислоте получается полуторавалентным, а это нонсенс.
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: четырём или пяти? Но самое главное заключается в том, что такая формула не отражает реальности. Атом азота имеет настолько высокую энергию ионизации (1402 кДж/моль), что сродства к электрону кислорода (141,8 кДж/моль) недостаточно для отнятия пятого электрона от атома азота. Поэтому представленная формулой б молекула азотной кислоты существовать не может.
Не следует прибегать к ухищрённости, чтобы определить валентность азота в азотной кислоте. Достаточно определить его степень окисления, чтобы понять поведение азотной кислоты в химических реакциях.
Желание все факты и явления объяснить с точки зрения единой теории, стремление любой ценой показать её неуязвимость вредит обучению, формирует у детей ненаучный подход к объяснению действительности.
Теорию валентных связей, как и любую другую теорию, следует применять в определённых границах. Не укладывающиеся в неё факты служат стимулом для развития теории или замены её другой. К этому надо относиться диалектически. Когда говорят «строго научно», противоречат существу науки, тому положению, что наука не является застывшим мыслительным образованием, но постоянно обновляется.
В обучении не следует ни игнорировать роль теорий, ни абсолютизировать их. Представление о том, что теории не являются завершёнными формами познания, а меняются, расширяются, углубляются, положительно влияет на формирование мышления и мировоззрения ребёнка.
Законы, закономерности, принципы
Познание изучаемого объекта предполагает переход от явления к сущности. Одной из форм раскрытия сущности и являются обнаруживаемые законы, закономерности, принципы.
Законы отражают внутреннюю существенную связь явлений, обусловливающую их закономерное развитие.
Закон выражает определённый порядок причинной и устойчивой связи между явлениями или свойствами материальных объектов, отражает повторяющиеся существенные отношения, при которых изменение одних явлений вызывает вполне определённые изменения других [136]. Понятие закона близко к понятию сущности изучаемого объекта, которая как раз и представляет собой совокупность глубинных связей и процессов. Закономерности конкретизируют и дополняют законы.
Примером закона является великий периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева. Он устанавливает существенную связь между атомной массой (зарядом ядра) и формами, а также свойствами веществ, образованных этими элементами.
На этом примере можно видеть связь закона с другими формами знания. Сущность периодического закона раскрывает теория строения атомов. Внутри закона можно выделить закономерности. Например, закономерность связи атомных объёмов с атомной массой дополняет содержание периодического закона.
Закон, как и теория, имеет границы применимости.
Так, закон Авогадро устанавливает связь количества вещества газов (числа частиц) с его объёмом. Выводом из закона Авогадро является молярный объём газа, равный 22,4 л/моль. Однако этот объём приблизительно соблюдается только для нормальных условий. При температуре 20 оС молярный объём будет другим (24 л/моль при нормальном давлении). Здесь вступает в силу другой закон – закон Бойля – Мариотта.
С другой стороны, молярный объём зависит от силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому далеко не все газы имеют одинаковый молярный объём при нормальных условиях.
Так, молярный объём аммиака NН3 равен 22,09 л/моль, а хлора Cl2 –20,06 л/моль. Это значительные отклонения, поэтому использование привычного молярного объёма для этих газов приводит к большим неточностям. Молярный объём, равный 22,4 л/моль, – это вид идеализации, широко распространённый в науке, особенно в химии и физике.
Принципы по содержанию близки к законам.
Термин принцип происходит от латинского principium, что означает «начало, основа». Он имеет несколько значений. Принципом называют внутреннее убеждение человека, которым он руководствуется в своём поведении. Нас интересуют научные принципы. В науке под принципом понимают теоретическое начало, основополагающую истину, лежащую в основе других истин, положений или движущих сил; правило или закон, по которому осуществляется та или иная деятельность или процесс. Философские принципы выражают непреложные, неизменные истины [146].
Принцип – это то, что лежит в основе некоторой совокупности знаний, главное, исходное положение какой-либо науки, теории, учения, мировоззрения.
Принцип является руководящим положением, которое соблюдается постоянно. Как известно, французский философ Гельвеций считал: «Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов».
Научные принципы формируются на основе эмпирических исследований реальности путём обобщения. Значимость принципов определяется тем, насколько глубоко они отражают объективные существенные закономерности, тенденции, связи и т. п. того класса явлений, в отношении которого они выступают обобщением. Поэтому принципы близки к законам.
Нам известны дидактические принципы. Они фиксируют знание об объективной педагогической реальности. Выведены эти принципы из практики педагогического процесса.
Суждения и умозаключения
Теории и законы выражаются в речи в виде суждений и умозаключений. Суждения и умозаключения оперируют понятиями. В суждениях выявляются связи между понятиями. Без связи между понятиями не происходит процесс мышления.
Суждение – форма отображения в мышлении связи между понятиями, посредством которой что-либо утверждается либо отрицается.
Однако суждения не гарантируют истинности. Они могут выражать либо истину, либо ложь. Так, например, ученик отвечает: «Катализатор ускоряет реакцию, так как вступает в неё и снижает энергию активации». Другой ученик может сказать: «Катализатор ускоряет реакцию, но не вступает в неё». Одно суждение выражает истину, другое – ложь.
В данном случае учащиеся оперируют понятиями катализатора и скорости химической реакции. Суждения будут истинными, если правильно раскрыты сущности понятий. Во втором случае сущность понятия катализатора не раскрыта, поэтому и суждение неверно.
Умозаключение – это 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 даётся задание сопоставить молекулярные массы и температуры кипения озона и кислорода. Они выводят следующие суждения:
а) молекулярная масса озона больше, чем кислорода;
б) температура кипения озона выше, чем кислорода.
Из этих суждений школьники выводят умозаключение по принципу самостоятельного созидания нового знания: температура кипения вещества зависит от его молекулярной массы.
Выведение умозаключений часто происходит с применением индукции. Однако индукция требует проверки экспериментальным методом. Без такой проверки умозаключение может быть ложным.
Например, Гульдберг и Вааге вывели эмпирическое правило – закон действующих масс. В соответствии с этим правилом скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Но многие реакции осуществляются по стадиям, каждая из которых имеет свою скорость. Тогда закон действующих масс не может быть отнесён ко всей реакции. Такое умозаключение о скорости всей реакции, являющейся на самом деле совокупностью взаимосвязанных стадий (актов реакции), будет ложным, так как скорость всей реакции лимитируется скоростью самой медленной стадии.
«Факты – строительный материал науки»
Начальным пунктом всякой формы знания является факт.
Факт определяют как действительное, вполне реальное событие, явление, то, что действительно произошло.
Факты считаются основой науки. Болгарский методист А. И. Пенев пишет: «Факты – строительный материал науки, но они ещё не наука и не главная цель обучения… Скелетом учебного содержания по химии должны быть основные закономерности, раскрывающие связи и отношения между веществами и химическими процессами, а также ведущие идеи и обобщающие теории химии – наиболее стабильные её элементы» [117].
Как провозгласили физики вслед за Гельвецием, не факты, но принципы.
Таким образом, факты – это та отражённая в знании реальность, 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.
Австрийские химики осуществили реакцию фосгена с цинк- метилом. Факт есть, реакция происходит. Но что этот факт дал науке? Учёные не смогли его интерпретировать, понять сущность вещества, получившегося в результате реакции. Поэтому этот очень значимый факт никакого влияния на науку в тот момент не оказал. Понадобилась теория Бутлерова, чтобы он был понят и вписался в содержание науки. Бутлеров в свете своей теории химического строения органических веществ повторил эксперимент австрийских химиков и продолжил его, в результате получил изобутиловый спирт, что и являлось поставленной им целью, опирающейся на теорию строения органических веществ.
Отсюда следует вывод: факты сами по себе немного дают для познания человеком окружающего мира. Имеет значение их включение в систему знаний, объяснение с теоретической точки зрения – понимание. Л. С. Выготский писал: «…кто рассматривает факты, неизбежно рассматривает их в свете той или иной теории». И далее: «…кто хочет найти ключ к богатому собранию новых фактов, должен раньше всего вскрыть философию факта, его добывания и осмысления. Без этого факты останутся немы и мертвы» [30].
Научные факты добываются из наблюдений. Но достоверность фактов должна подтверждаться определённой отработкой, чтобы факт явился объективной информацией.
Приведём пример из педагогического эксперимента. При изучении валентности ученики получили домашнее задание составить формулы некоторых веществ. Ученик К. выполнил его так:
P + O → P2O5.
С составлением уравнений дети ещё незнакомы. Но ученик предвосхитил будущее знание. Он рассудил, что по составу оксида можно понять, из чего он получен. И выразил свою догадку в виде схемы. И хотя схема составлена с неизбежными ошибками, сам факт вписывается в психологическую теорию проявления предсказательной функции знаний.
Что показал этот факт? Он выявил следующее:
– ученик понял изучаемый учебный материал;
– знания учеников могут обладать предсказательной функцией;
– по проявлению предсказательной функции можно судить, что ученик находится в зоне ближайшего развития.
Итак, с одной стороны, факты важны для развития научного знания, обнаруживая ранее неизвестное явление. Тем самым выявляется новая проблема, требующая совершенствования старой теории или возникновения новой.
С другой стороны, факты требуют теоретического объяснения, а также соотнесения с системой уже имеющихся знаний. Известный литературовед и культуролог Ю. М. Лотман утверждал, что культурный человек не принимает на веру факты – он соотносит их со своими знаниями и вписывает в систему этих знаний [99].
Понятие – узловая форма мышления
Ядром любой науки является система научных понятий. Понятия не только отражают сущность действительности, но и служат базой, отправным пунктом для последующих открытий.
Понятие – форма мышления, обобщённо отражающая существенные свойства, связи, отношения предметов и явлений реальной действительности.
Наиболее общие фундаментальные понятия, являющиеся формами и устойчивыми организующими принципами мышления, называют категориями (от греч. κατεγορια – высказывание; признак). К ним относятся такие общие понятия, как бытие, сущность, противоречие, время, развитие, движение и другие [146].
В теории познания понятие считается узловой формой мышления, способной к самостоятельному существованию и в то же время являющейся компонентом и основой других форм, формируя категориальный строй мышления человека. Без понятий всякая иная форма знания становится бессмысленной. Теории, законы, принципы, суждения и умозаключения выражаются через понятия. Понятие выступает основной клеточкой человеческого мышления, которое в целом является понятийным. Вне понятий нет мышления. Сам процесс мышления можно представить как оперирование понятиями [2, 47].
В психологии доказано, что формирование понятий является врождённым: «в ходе познавательной деятельности человека происходит понятийное обобщение предметов и явлений» [165], то есть воспринимается не весь объект целиком, а существенные черты, которые и дают возможность составить понятие. «Понятия же делают возможным перенос прошлого опыта на ранее не встречавшиеся ситуации» [165].
Понятия могут быть представлены в развёрнутой и свёрнутой форме. В. С. Библер отмечает, что если «понятие отражает единство многообразия, то оно выступает как теория; если же теория отражает единство многообразия, то она выступает в качестве понятия» [10]. Так, понятие вещества может включать теорию электронного строения, теорию химической связи, все свойства, выраженные в возможных химических реакциях. Всё знание о веществе представляет собой развёрнутую форму понятия вещества. В то же время в свёрнутой форме оно выступает как единица мышления. Благодаря свёрнутой форме мышление может легко оперировать понятиями.
В диалектической логике понятие считается синонимом понимания существа дела [38, 62].
Чтобы понять, как формируются и функционируют научные понятия, необходимо выяснить три момента:
1) что является генетической основой понятий;
2) каковы природа понятия и его функции в процессе познания;
3) какими способами формируются понятия и тем самым постигается реальная действительность.
Решение этих вопросов не только приводит к раскрытию закономерностей в общеисторическом познании, но и позволяет построить учебный процесс, так как ключевым моментом передачи знаний является формирование у школьников понятий.
Любой предмет, явление реальной действительности возникает и развивается благодаря заключённому в нём противоречию.
Разрешение противоречия порождает новые стороны, свойства, формы предмета или явления. Наше сознание с помощью органов чувств обнаруживает конечный результат возникновения объекта. Процесс развития в наличном бытии скрыт и непосредственно чувственным способом не обнаруживается [48, 63].
Объект реальной действительности предстаёт перед исследователем в нерасчленённом виде. Познание объекта происходит в ходе постепенного его расчленения (анализа), углубления в его структуру, обнаружения различных сторон, свойств объекта с последующим установлением взаимосвязей частей, восстановлением единого целого (синтезом). Для этого мышление должно проникнуть за пределы ощущений, восстановить ход развития предмета, обнаружить то противоречие, при разрешении которого предмет или явление развивается. При этом раскрывается его сущность. Так мышление в процессе формирования понятий совершает путь, обратный развитию предмета или явления [102, 103]. Такова направленность логики познания.
Примером формирования понятия в истории науки является познание атома. Греческое название этой частицы говорит само за себя – неделимый. Следовательно, он воспринимался как конечное и неделимое целое. Сам атом непосредственно чувственным образом не может ощущаться. Его существование раскрывалось через восприятие других явлений и последующих умозаключений двумя путями: эмпирическим и теоретическим.
На протяжении длительного времени устанавливалась роль атома в образовании веществ. Понятие атома способствовало познанию самого вещества, его состава, строения, способности вступать в реакции.
Когда в конце XIX века стало известно, что атом делим и имеет сложное строение, наступил период расчленения целого (анализа), заключающийся в открытии составных частей (микрочастиц), и установления взаимосвязей между ними (синтеза). Выявилось генетическое противоречие, порождающее атом, – объединение противоположно заряженных частиц в общую систему атома. Было обнаружено, что устойчивость атома обусловливается уравновешиванием сил притяжения и отталкивания между заряженными частицами. Уравновешивание противоположных сил является разрешением противоречивости сущности атома. Благодаря этому противоречию атом и играет важную роль в образовании вещества: уравновешенность положительных и отрицательных зарядов может нарушаться. Оказалось, что атомы проявляют свойства связываться друг с другом в процессе нарушения равновесия между положительными и отрицательными зарядами. При этом образуется огромное разнообразие веществ.
Человеческое мышление, открыв основное противоречие, воссоздало конкретное (богатое) понятие вещества, обогатив чувственное восприятие его свойств глубинным пониманием причин проявления этих свойств.
Таким образом, мышление совершает путь от налично данного в ощущениях исследуемого объекта, от живого созерцания к абстрагированию сущности – от сущности первого порядка к сущности n-го порядка [94].
Термин абстракция происходит от латинского слова аbstraction, что означает «отвлечение, отделение». Ввёл этот термин Аристотель. Он считал, что абстракция – это приём мышления, являющийся односторонним методом познания реальности.
Абстрагирование, то есть мысленное выделение, отвлечение отдельных сторон, происходит в процессе анализа, который и выражается в расчленении объекта. Затем мышление совершает обратный путь – от выделенных абстракций (сторон, свойств) к синтезу целого путём установления взаимосвязей между абстракциями. Такое разностороннее целое, отражённое в мышлении, называют конкретным (обогащённым) понятием [103].
Термин конкретное происходит от латинского concretus, что означает «сгущённый, сросшийся». В диалектической логике под конкретнымпонятием понимают богатое, многостороннее знание об объекте. Иными словами, конкретное понятие представляет собой единство многообразного как результат процесса обобщения (синтеза). Синтезированное, богатое содержание понятия отражает реальность точнее, полнее, глубже [62, 166]. Отсюда целью исследования объекта является формирование конкретного понятия. Так, современное конкретное понятие атома включает в себя знания о множестве микрочастиц (протоны, нейтроны, электроны и др.), об их взаимодействии, движении, энергии и т. д.
Часто знание об атоме называют абстрактным. При этом имеют в виду невозможность ощутить его органами чувств, то есть оторванность от воспринимаемой реальности. На самом деле под абстрактным следует понимать другое.
Абстрактное понятие представляет не весь исследуемый предмет в его многообразии, а только одну (абстрагированную), хотя часто и существенную сторону. Одна абстрагированная сторона оторвана от богатого содержания конкретного. Поэтому абстрактное понятие всегда бедно по содержанию. Ф. Энгельс сравнивал мир абстрактных понятий с разреженной атмосферой, в которой трудно дышать [171]. Абстрактные понятия ещё не дают знания о реальной сущности исследуемого объекта. Истинное, богатое содержание предмета отражается в таком понятии, которое представляет собой систему сторон, абстракций (элементы, свойства) реальности и их взаимоотношений.