Содержание понятия «вещество» в курсе естествознания профильной школы

Преподавание курса «Естествознание» в старшей школе может стать оптимальным решением задачи естественнонаучного образования для учащихся, выбравших профили гуманитарной направленности.

Стандарт по данному курсу предполагает объединение в себе материала основных естественнонаучных дисциплин (физики, биологии, химии), однако не является простой «суммой» стандартов по этим предметам.

Содержательные элементы этих дисциплин отобраны по тому принципу, чтобы они представляли ключевые идеи каждой из наук, ставшие основными составляющими естественнонаучной картины мира и оказавшие определяющее влияние на развитие современных технологий.

Следует отметить, что в стандарте присутствует материал мета- и междисциплинарного содержания, который прежде не входил в обязательный минимум ни по одному из предметов естественнонаучного цикла.

Например, это должно позволить выпускнику иметь представление о естественнонаучном методе познания и использовать полученные знания для получения фактов, оценки достоверности информации, построения аргументации.

Современное естествознание рассматривает новые подходы к пониманию природы как единого целого. Это выражается в представлениях о развитии природы, о различных видах движения материи и разных структурных уровнях организации природы, в расширяющемся представлении о типах причинных связей. В его содержание из области физики входят: понятие вещества, поля, квантовая природа света (и энергии), направленность изменений в макросистемах, которая подчиняется второму началу термодинамики, нестаци-онарность и эволюция Вселенной. Зависимость химических свойств веществ от строения атомов и молекул. Химическая реакция как причина превращения веществ – это вклад химии.

С позиций биологии рассматриваются клеточное строение организмов, молекула ДНК как носитель наследственной информации. Биологическая эволюция. Биосистемная организация жизни и необходимость биоразвития.

Рассмотрим подробнее вопрос об общих фундаментальных понятиях для цикла естественнонаучных дисциплин, которые развиваются на протяжении всего периода изучения физики, химии, биологии; к ним относят следующие понятия: «материя», «движение», «вещество», «поле», «масса», «энергия» и др.

Вещество в философском словаре по своему значению близко понятию «материя», но не равнозначно ему полностью. В то время как со словом «материя» преимущественно связываются представления о грубой, инертной, мертвой действительности, в которой господствуют исключительно механические законы, вещество является «материалом», который благодаря получению формы вызывает мысли об оформленности, жизненной пригодности, облагораживании. Вещество, согласно Научно-техническому энциклопедическому сло варю ‒ это то, из чего состоят все тела и предметы в мире. При этом «материя – объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания. Основа (субстрат), из которой состоят физические тела» [9, с. 78].

Выделенные нами фундаментальные понятия являются категориальным аппаратом законов (сохранения массы, энергии, электрического заряда), законов термодинамики; а также теории (электронная теория строения вещества и квантовая теория света).

Одним из главных понятий, по мнению А. Берулавы, М.Д. Даммер, является понятие «вещество».

Рассмотрим понятие вещества с позиции системного анализа. В окружающем нас мире существует определенная иерархия структурных форм веществ: элементарные частицы, ядра атомов, молекулы, макротела, планеты, звезды и т.д. Именно понятие «вещество» является «клеточкой», т.е. основой объекта изучения естественных наук. В школе в формировании данного понятия участвуют различные предметы.

Каждый курс изучает определенные структурные уровни вещества как материальной системы. В целом, изучая понятие «вещество», рассматривают структурные уровни его организации.

Процесс формирования фундаментального понятия «вещество» ‒ длительный и многоэтапный. Понятие должно развиваться при изучении всех естественнонаучных предметов, каждый из которых должен наполнить его своим особенным содержанием.

Важным условием успешного усвоения понятий учащимися является знание учителем верхнего уровня, до которого должно быть сформировано понятие к моменту окончания школы. Выполнение этого условия позволит учителю видеть перспективу в развитии понятия и осуществлять этот процесс целенаправленно. Для фундаментальных понятий важно знать требования к знаниям о понятии по различным естественнонаучным предметам.

На основе анализа содержания понятия, проектов Государственных образовательных стандартов по естественнонаучным дисциплинам М.Ж. Симоновой определены требования к знаниям учащихся к моменту окончания основной школы [10, с. 70].

Далее формирование понятия «вещество» продолжается в курсе профильной школы. В классах гуманитарной направленности возможно изложение материала с учетом исторического аспекта.

Вначале можно сделать анализ данных ключевых понятий, представленных в справочной литературе. «Вещество – вид материи; то из чего состоит физическое тело» [8, с. 78].

В Физическом энциклопедическом словаре вещество определяется как «вид материи, обладающий массой покоя (электронов, протонов и нейтронов)».

«Материя – объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания. Основа (субстрат), из которой состоят физические тела. Существует в виде вещества и поля». «Поле – пространство, в пределах которого проявляется действие каких-либо сил. Магнитное поле, силовое поле, поле тяготения».

Рассмотрим вначале общие представления о веществе, необходимые в курсе естествознания.

Естественно, что подавляющее большинство веществ, встречающихся в природе, состоят из атомов и молекул.

«Атом ‒ мельчайшая частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов» [8, с. 31].

«Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Состоит из атомов» [8, с. 362].

«Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединена с собой химическими связями» [11, с. 430].

Все многообразие веществ обусловлено способностью атомов определенным образом соединяться друг с другом и образовывать молекулы.

Число атомов в молекуле составляет от двух до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны, белки). В физике представление о молекулах возникло в XVII в. и получило широкое признание в XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов и жидкостей.

Следует отметить, что во второй половине XIX в. с помощью различных химических методов были получены многие важные сведения о строении вещества.

Существование же молекул было подтверждено опытами французского физика Ж.Б. Перрена по изучению броуновского движения (1906).

Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве.

Наиболее общие характеристики молекулы – молекулярная масса, состав и структурная формула, указывающая на последовательность химических связей.

Прочность межатомной связи характеризуется энергией химической связи, которая составляет обычно несколько десятков кДж/моль.

Размеры молекулы можно ориентировочно оценить, зная плотность вещества, молярную массу и число Авогадро. Так, молекула воды имеет сферическую форму и диаметр 3·10-8 см (0,3 нм).

Размеры молекулы растут с увеличением числа атомов в них и лежат в пределах 10-8 – 10-5см.

Устойчивость молекулы в среде зависит от ее взаимодействия с другими атомами, а также от температуры, давления и других внешних параметров.

В газообразном состоянии вещество, как правило, состоит из молекул (кроме инертных газов, паров метанолов).

При достаточно высоких температурах молекулы всех газов распадаются на атомы.

В конденсированных системах молекулы могут сохраняться.

Вода во всех агрегатных состояниях состоит из молекул; из молекул построены большинство жидкостей и молекулярные кристаллы.

В металлах и других атомных кристаллах, а также в их расплавах молекулы, как правило, не существуют, так как в них каждый атом взаимодействует со всеми соседними молекулами приблизительно одинаково.

Отдельный атом соответствует атомному уровню организации вещества. Кроме общего для любой структурной формы вещества свойства ‒ массы – у атома имеются специфические свойства, обусловленные взаимодействиями ядро ‒ электрон, электрон ‒ электрон: способность отдавать и присоединять электроны (характеризующаяся энергией ионизации и сродством к электрону), поглощать и испускать энергию квантами.

Множество взаимосвязанных атомов и молекул образуют качественно новое состояние вещества, отличающееся от системы микромира (одиночного атома или одиночной молекулы). Макроуровень организации вещества «наследует» некоторые свойства отдельного атома или отдельной молекулы: поглощает энергию квантами, отдает и присоединяет электроны, распадается или соединяется в различные молекулярные агрегаты. Появление межмолекулярного или межатомного взаимодействия, которое отсутствовало у одиночного атома или молекулы, приводит к появлению специфических свойств макросистемы, таких как твердость, пластичность, текучесть, теплопроводность и т.д.

Далее, с позиций внутрипредметной интеграции, следует изложить вопрос о химической связи, для которой существенное значение имеют лишь электромагнитные взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулу атомов.

Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура вещества», основанное на химическом соединении. Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и др.

В результате химических и физических открытий классическое определение молекулы претерпело изменения. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое вещество: «Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы ‒ молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение ‒ понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента».

На первом этапе своего развития химическая форма движения материи проявлялась через взаимодействия атомов, которые приводили к установлению определенных типов связей между ними, ведущие к образованию большого разнообразия таких новых материальных форм, как неорганические молекулы. На следующем этапе осуществлялись химические реакции уже между неорганическими молекулами, которые привели к образованию нового класса химических молекул ‒ органических. Органическая материя, подчиняясь законам природы, также претерпела изменения, которые привели к возникновению биополимеров. Возникновение биополимеров и в первую очередь белков и нуклеиновых кислот послужило переходным этапом на пути преобразовании химической формы движения материи в биологическую форму движения.

Жизнь как новое качество биологической формы движения материи определяется, прежде всего, большим разнообразием свойств белковых молекул. Само же разнообразие свойств этих молекул обусловлено разнообразием их форм, которое детерминировано рядом специфических принципов организации. Первым из них является принцип биополимеризации, благодаря которому из относительно небольшого количества мономеров (20 аминокислот) может синтезироваться огромное разнообразие белков. Расчеты покатывают, что для белка, построенного из 20 различных аминокислот, содержащих в цепи 300 аминокислотных остатков, число возможных вариантов может составлять 10390[6, с. 146]. Второй принцип, обеспечивающий почти бесконечно большое разнообразие белковых форм (конформаций), связан со свободным вращением атомов вокруг многих связей в полипептидной цепи, что делает остов белковой молекулы очень гибким. В водной среде за счет гидрофобных связей, которые возникают между радикалами гидрофобных аминокислот, молекула белка принимает третичную структуру и становится биологически активной.

С химической точки зрения, белки ‒ наиболее сложные из известных молекул. Уникальные принципы (связи) их организации обеспечивают огромное разнообразие форм белковых молекул, создающих, в свою очередь, огромное разнообразие структур и форм клеток, являющихся элементарными единицами строения и функционирования всех организмов на Земле.

Такое понимание стало возможным благодаря рождению молекулярной биологии. Название «молекулярная биология» впервые употребил У. Уивер, который еще в 1938 г. отметил, что «в тех пограничных областях, где физика и химия пересекаются с биологией, постепенно возникает новый раздел науки ‒ молекулярная биология, начинающая приоткрывать завесы над многими тайнами, окутывающими основные элементы живой клетки».

Таким образом, понятие «вещество» ‒ одно из основных понятий естественных наук, каждая из которых изучает определенную сторону этого понятия, и это изучение идет по определенному пути, единому для всего естествознания. Уровневая структура системы понятий о веществе отражает единство всеобщего, особенного и единичного. Последовательность формирования фундаментальных понятий в обучении (логика познания) в обобщенном и сжатом виде повторяет историческое их становление и развитие (история познания) [1, 2, 4, 5, 7, 10].

Данный подход сможет обеспечить преемственность курса «Естествознание» средней школы и вузовского, где изучается интегрированный курс «Концепции современного естествознания».