Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) проводит конкурс проектов участия российских ученых в научных мероприятиях, проводимых за рубежом 2012 года.
В мае 1997 года член рабочей группы Рональд Гиллеспи опубликовал статью «Комментарии: Реформирование учебника по общей химии», где он пишет:
«Большинство из нас, преподавателей химии, хотят, чтобы студенты поняли, чему мы их учим. Но многие студенты, пожалуй, даже большинство из них, не пытаются понять. Даже если они ставят перед собою цель понять, то обычно вскоре приходят к выводу, что это слишком сложно, по крайней мере, в рамках доступного времени, и тогда они обращаются, как и другие, к изучению материала. Под этим понятием они подразумевают заучивание названий веществ, формул, типов реакций, форм орбиталей, способов расчета степеней окисления и вычисления pH и пр., и пр.».
«Большинство студентов не особенно возражают против этого, т.к. это именно то, что они делали в школе, и то, что означает для них понятие «учиться». Многим не нравится то, что от них ждут понимания материала, поскольку они уже пришли к выводу, что легче запоминать, и большинство из них даже не имеет представления о том, что означает понимать. Для нас может показаться удивительным то, что они считают химию очень абстрактным, очень трудным предметом, не имеющим отношения к реальной жизни».
«Но это, пожалуй, не столь удивительно, если вспомнить, что для этих студентов химия состоит из большого количества внешне не связанного между собой, неинтересного и бесполезного материала, который они скорее запомнили, а не поняли! Их основная задача состоит в том, чтобы пройти курс и перейти к тому, что они считают более интересным и полезным. Студенты извлекают очень мало пользы из курса химии, чтобы затем можно было применять эти знания в других курсах или в дальнейшей жизни, и очень мало (если это вообще имеет место) понимания того, что действительно представляет собой химия - лишь убеждение, что им никогда не понять этого предмета».
«На протяжении многих лет я замечаю, что когда при знакомстве с людьми выясняется, что я профессор химии, они всегда удивляются. Как этот вроде нормальный на вид парень смог понять всю эту чушь? Люди часто признают, отчасти словно извиняясь, что химия была для них самым нелюбимым предметом в школе или университете, или что она была самым трудным из всех изучаемых ими предметов. Почему так редко встречаются те, для кого химия была захватывающей или увлекательной, или, по крайней мере, интересной наукой? Почему большинство считают химию столь абстрактной и трудной? Почему они не понимают той химии, которой мы пытаемся их обучить?»
«Многие из нас давно осознают, что в том, как мы преподаем, не все правильно, но нет общего понимания того, как именно необходимо изменить курс, чтобы студенты не считали химию таким сложным, неинтересным и абстрактным предметом. Проблема состоит в том, что студенты с трудом понимают связь между макроскопическим миром наблюдений и микроскопическим миром атомов и молекул. Тем не менее, именно этот аспект химии отличает ее от других наук. Если студенты не видят этой взаимосвязи, им не понять важное значение химии для реального мира. Понимание этого принципа является, возможно, самым главным из того, что студент может извлечь из курса общей химии».
Гиллеспи считает одним из главных аспектов преподавания химия демонстрацию связи между макроскопическим миром наблюдений и микроскопическим миром атомов и молекул. Однако, мир квантовой физики (и последующая теория микромира) не опирается на наглядные схемы и понятные интерпретации. Макромир объективен. Он существует сам по себе. Квантовый мир иной. В нем нет ничего абсолютного. Он принципиально относителен. В нем нет точных местоположений и траекторий. В нем нет направлений. Этот мир - принципиально непредсказуем. Неопределенен. Физический смысл правил и законов даже не рассматривается квантовой наукой
А классическая химия еще не касалась вопроса связи между макро- и микромиром. Ученые еще не выяснили, от чего зависит реакционная способность молекул. Ни одно из открытий еще не демонстрировало причинно-следственные связи с физическими свойствами веществ.
Почему программы преподавания химии почти не меняются?
«Преподавание общей химии обсуждалось на бесчисленных конференциях и симпозиумах, в ходе дискуссий членов рабочих групп и комитетов, а также на заседаниях министерства образования, однако мало что изменилось, и общая химии остается такой, как она была 20 или даже 40 лет назад. Почему? Одной из причин может быть то, что не изменились учебники. Ни одна значительная перемена не возможна, пока новый вид учебника не опубликован и не утвержден повсеместно. Существует множество хорошо написанных и богато иллюстрированных пособий, но почти все они трактуют один и тот же стандартный материал в более или менее одной и той же стандартной манере. Неважно, насколько превосходными эти учебники представляются преподавателям, которые их выбирают, но им не удалось заинтересовать большинство студентов или обеспечить их пониманием химии или хотя бы полезной информацией, которую они могли бы запомнить и использовать в дальнейшей жизни».
«Почему существует лишь несколько учебников, претендующий на новый подход? Издатели не хотят вкладывать деньги в производство нестереотипных книг на случай, что одна из них может стать бестселлером и полностью изменить систему преподавания общей химии. Даже те авторы, которые убеждены в необходимости изменений, не хотят писать книги, являющиеся слишком нетрадиционными, из-за того, что при этом трудно найти издателя и получить признание. Почему ни одна из тех немногих опубликованных нонконформистских книг, получивших широкое распространение, не привела к серьезной реформе курса общей химии? Потому, что большинство преподавателей не видят необходимости в переменах, либо не имеют времени для адаптации новых пособий и написания новых методик преподавания. Потому, что ни один автор еще не открыл правильную формулу для стимулирования столь необходимых перемен».
Кто инициирует и поддержит реформу?
«Мне кажется, что дискуссия продолжается уже достаточно долго. Мы, вероятно, никогда не добьемся всеобщего согласия по поводу того, как реформировать курс общей химии, пока не появится действительно новый учебник, который повлияет на такое число преподавателей, что новый способ преподавания станет общепринятым. Для издания подобных книг и их признания необходима инициатива, исходящая от таких организаций, как Национальный Научный фонд, Американское Химическое общество, а также от одного или несколько крупных производителей химических веществ. Их поддержка и финансовая помощь будет необходима не только для субсидирования написания и издания этих книг, но и для программ по переподготовке преподавателей. Со стороны данных организаций нет более важного вклада в будущее химии, чем оказание такой поддержки".
В 1997 году в журнале «Химическое образование» (Journal of Chemical Education, JCE, №7, стр. 862) была опубликована статья Р. Гиллеспи, в которой автор предложил ограничить курс общей химии объяснениями шести величайших идей химии. Гиллеспи пишет:
«Чтобы ответить на вопрос «Что должно быть включено в курс общей химии?», мы должны задаться вопросом, какие фундаментальные идеи являются основополагающими для понимания современной химии. Мы должны помнить, что курс общей химии не предназначен (или не должен предназначаться) для того, чтобы быть первым шагом в деле подготовки будущих профессиональных химиков. По сути, каждый образованный гражданин нуждается в химических знаниях. Курс должен быть ориентирован на потребности студентов, специализирующихся в изучении наук, техники, или медицины - так, чтобы они получили представление о том, каким химики видят материальный мир, какими проблемами химики занимаются в настоящее время, и на какие вопросы может ответить химия. Нам необходимо показать им значимость химии для выбранной ими сферы деятельности, а также для повседневной жизни».
«Я называю эти фундаментальные идеи «великими идеями химии». Здесь представлен мой список из шести понятий, лежащих в основе современной химии. Я считаю, что каждый вводный курс по химии в университете должен включать эти идеи - безусловно, вокруг них должна быть выстроена вся программа. Насколько глубоко должно рассматриваться каждое из понятий, зависит от уровня и целей курса. Здесь я объясню то, что, по моему мнению, должно означать минимальный уровень, на котором эти идеи должны рассматриваться в рамках общего курса химии в университете. Часть проблемы нынешней перегруженной программы для студентов первого курса состоит в том, что эти понятия зачастую представлены более подробно, чем это необходимо для понимания на уровне, соответствующем потребностям учащихся».
Атомы, молекулы, ионы
«Современная химия начинается с Дальтона и концепции атомов и молекул. Элементы являются своего рода материей, которая состоит из атомов одного вида. Соединения состоят из двух или более видов атомов, удерживаемых вместе. Чтобы понять, как атомы удерживаются вместе, формируя молекулы, мы обратимся к Резерфорду и концепции, согласно которой атом состоит из центрального ядра, окруженного электронами. Расположение этих электронов на энергетических уровнях или оболочках может быть легко выявлено из данных, полученных с помощью энергии ионизации и фотоэлектронного спектра, сводящихся к понятию положительно заряженного ядра, окруженного валентной оболочкой».
Химическая связь: что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах?
«Все химические связи образуются с помощью электростатического притяжения между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными валентными электронами. Электростатическая сила является единственной важной силой в сфере химии. Связи не формируются путем перекрывания орбиталей, как мы нередко можем прочесть в книгах, это лишь модель - правда, модель, очень полезная и необходимая для студентов, специализирующихся в области химии, но я не думаю, что эта деталь крайне важна для студентов в курсе общей химии. Мы можем достичь хорошего понимания химии без нее, впрочем, и многие химики почти не используют данные сведения. Эта информация отвлекает внимание от реальной причины образования связи: электростатического притяжения между электронами и ядрами».
«Есть более существенные темы для изучения в курсе общей химии. Кроме того, понятие орбитальной модели дает студентам неправильное ощущение того, что химия является сложным, абстрактным, математическим предметом, основанным на непостижимых концепциях, которые не могут быть внятно объяснены в рамках общей химии. Мы можем просто описать ионные связи, возникающие вследствие электростатического притяжения между ионами, и ковалентные связи, возникающие в результате притяжения связывающей электронной пары к двум атомным ядрам. Соответствующие структуры Льюиса демонстрируют нам, какое количество связей образует атом. На мой взгляд, эти понятия являются достаточными для обсуждения на вводном уровне материала, касающегося темы химической связи».
Геометрия молекулярных форм: трехмерная химия
«Концепция молекулярной формы и геометрии играет важную роль в изучении химии со времен Ле Беля и Вант-Гоффа. Еще большее значение она получила после изобретения рентгеноструктурной кристаллографии. Понимание концепции формы является крайне существенным для понимания широкого круга вопросов современной химии, например: био-молекулы и их функции, промышленные катализаторы (такие как цеолиты и твердые поверхности), а также синтетические полимеры. Наше понимание концепции формы и умение использовать ее в настоящее время таковы, что мы можем синтезировать практически любую форму, необходимую для конкретной цели: клетки, которые улавливают ионы определенного размера; молекулы, которые имеют форму, необходимую для привязки только к конкретному типу молекулы (молекулы, которые «признают» друг друга); полимерные молекулы, которые проводят электрический ток и, таким образом, ведут себя, как молекулярные провода, и так далее».
«Многообразие и сложность молекул, которые могут быть созданы химиками, является удивительным и иллюстрирует очень важный аспект химии, а именно то, что химия является творческой наукой. Химики создают новые структуры (молекулы), которые никогда не существовали ранее. В общей химии этому аспекту химии уделяется слишком мало внимания, хотя один только данный фактор может заинтересовать и увлечь студентов, наглядно демонстрируя то, что химия является предметом практичным, полезным и интересным, а не бессмысленным и абстрактным».
«Мы располагаем очень простой моделью, ОВЭП (метод отталкивания валентных электронных пар), которая служит основой для обсуждения форм простых молекул и большинства свойств даже очень больших молекул. На уровне общей химии не следует идти дальше этой темы. Гибридные орбитали, часто обсуждаемые в этой теме, конечно, являются всего лишь еще одним аспектом орбитальной модели. Кроме того, они не объясняют понятие молекулярной геометрии, а просто описывают его в рамках орбитальной модели. Понимание концепции гибридных орбиталей имеет важное значение для студентов, специализирующихся в области химии, но не для студентов, изучающих курс общий химии. Благодаря программам молекулярного моделирования студентам стало еще проще понять и усвоить понятие форм молекул».
Кинетическая теория
«Говоря о понятии «кинетическая теория», я не подразумеваю вывод формулы
pV = 1/3 nmc2 = nRT,
которая не является необходимой частью курса, я скорее определяю его как представление о том, что при температуре выше абсолютного нуля атомы и молекулы находятся в постоянном хаотическом движении: чем выше температура, тем быстрее они движутся. Объединение данной концепции с понятием межмолекулярных сил (электростатические силы притяжения между ядрами и электронами) обеспечивает понимание газообразного, твердого и жидкого состояний вещества. Постоянное движение атомов означает не только то, что молекулы перемещаются в пространстве, но и то, что они не являются неподвижными объектами - они вращаются, колеблются и вибрируют. Мы можем использовать это представление для ознакомления с понятием инфракрасных спектров и их использованием, например, в идентификации органических молекул».
Химические реакции
«Эти знания подводят нас к концепции химической реакции. Реакция возникает вследствие того, что молекулы движутся. Когда они сталкиваются друг с другом достаточно сильно, связи рвутся, и атомы перемешиваются между собой, формируя новые молекулы. Или молекула, которая вибрирует достаточно сильно, может разбиться на более мелкие молекулы. Данные утверждения представляют собой простое, но основополагающее объяснение химической реакции. Чтобы идти дальше, мы можем также ввести понятие активационной энергии для того, чтобы мы могли объяснить, почему при обычной температуре некоторые реакции протекают очень быстро, а другие, наоборот, неизмеримо медленно. Это и есть минимум того, что студенты должны понимать в отношении химических реакций. Детали, которые при этом обычно преподаются студентам - принципы, необходимые для установления скорости и порядка протекания реакции, интегрированные уравнения скорости реакции и т.д. - являются вторичными по отношению к этим основным идеям. Данные детали имеют важное значение для студентов, специализирующихся в области химии, но я сомневаюсь, что они необходимы студентам, изучающим курс общей химии».
«Тема химических реакций заслуживает гораздо больше внимания - пожалуй, больше всех из шести «великих идей», - поскольку реакции составляют сущность химической науки. Понимание реакции было главной целью химии еще со времен алхимиков. В настоящее время нам известно множество различных типов реакций, но два из них, в частности, кислотно-основной и окислительно-восстановительный, имеют принципиальное значение для неорганической, органической и биологической химии, и я считаю, что их необходимо рассматривать в рамках вводного курса. Однако они не могут быть полностью поняты только посредством таких определений, как передача протона и передача электрона. Их нужно вводить и обсуждать на основе исследований реальных реакций, осуществленных студентом в лаборатории, или, за неимением лучшего, с помощью демонстрации реакций на лекции или с помощью видеоаппаратуры. Эти два типа реакций наряду с некоторыми другими, например, реакциями осаждения, а в органической химии - реакциями присоединения и замещения, дают нам возможность понять тысячи реакций, которые мы применяем и изучаем в области химии».
«В рамках курса общей химии изучению реакций не уделялось должного внимания отчасти потому, что данная тема стала называться описательной химией и поэтому стала считаться неинтересной. Конечно, простое описание скучно. Но химия в своем развитии ушла далеко за пределы стадии простого описания: понимание реакций и их применение для конкретных целей - вот чем занимаются химики. Значительная часть прикладной и теоретической химии связана с синтезом новых веществ (материалов, пластмасс, медикаментов) и с созданием уже известных веществ более совершенными методами (менее затратные, экологически безвредные методы и т.д.) ».
«Что в химическом мире вызывает наибольший ажиотаж? Создание новых молекул, таких, как, например, молекулы, включающие инертные газы и фуллерен. Мы должны уделять больше внимания фантастическим вещам, которые одаренные химики уже сотворили, и продолжают творить в настоящее время, чтобы показать студентам, что химия предлагает безграничные возможности для творческого и изобретательного ума».
«Периодическая таблица элементов оказывает большую помощь в классификации. Ее создание имело настолько важное значение для развития химии, что я вполне мог бы включить ее в качестве одной из великих идей. Важно подчеркнуть, что периодическая таблица была изобретена Дмитрием Менделеевым (1834-1907) задолго до того, как что-либо было известно о детальной структуре атома. В этом отношении она остается одним из самых полезных инструментов химика. В теме изучения реакций мы также широко используем такие понятия, как электроотрицательность, размеры атома, заряд ядра, или эффективный ядерный заряд, которые могут быть выведены непосредственно исходя из данных о простой модели строения атома, описанной выше».
Энергия и энтропия
«Наконец, необходимо знать, почему некоторые реакции возникают, а другие - нет, или, точнее, почему некоторые реакции достигают равновесия, при котором образуется очень мало продукта, в то время как другие протекают преимущественно до конца. Мы понимаем это явление с точки зрения термодинамики - особенно в том, что касается понятий энергии и энтропии, первого и второго законов термодинамики, которая является для студентов весьма трудной темой. Уравнения, на которых основывается формальная термодинамика, являются еще более неприступными для понимания. Если преподавать данную тему на формальном уровне, это может быть скучным и сложным. Даже слово «энтропия» может стать устрашающим термином, кажущимся абстрактным и трудным. Но изложение этой темы не должно быть таким. Любой человек в состоянии усвоить понятие хаотичности, и это все, что действительно нужно для понимания энтропии. Студенты уже встречались с понятием хаотичного движения при обсуждении кинетической теории».
«Реакции возникают, когда беспорядок системы (иными словами, реакционной системы и ее окружения) усиливается. Это случай экзотермической реакции: тепло, передаваемое окружающим частицам, усиливает энтропию или беспорядок. Большинство реакций, которые происходят в обычных условиях, являются экзотермическими, потому что тепло, выделившееся в окружение, приводит к усилению беспорядка или энтропии окружения; это, как правило, больше, чем любое уменьшение энтропии, которое может возникнуть в системе. Мы можем получить эндотермические реакции, если увеличение беспорядка в системе больше, чем снижение беспорядка в окружении вследствие того, что тепло было передано из окружения системе. По сути, эта информация - все, что необходимо для понимания роли термодинамики для химических реакций: реакция будет идти, если суммарная энтропия системы и ее окружения увеличится».
«Это основные идеи, которые должны быть усвоены до перехода к дальнейшему понятию свободной энергии и уравнениям типа DG = DH- TDS. На мой взгляд, в рамках вводного курса не стоит затрагивать более сложные темы. Подставление чисел в уравнения не приведет к более значительному пониманию студентами основных понятий, а решение численных задач станет скучным и ненужным занятием, если студенты не усвоили основные понятия».
Обоснование программы, основанной на изучении великих идей, и предназначенной для студентов первого курса
«Перечисленные выше великие идеи - это те понятия, которые, на мой взгляд, должны быть включены в курс химии для студентов первого курса с целью обеспечения базовых знаний по химии. Для студентов, выбравших специальность в области химии, эти сведения должны преподаваться более детально и в течение всех курсов. Студенты в области других наук, техники и медицины также должны возвращаться к их изучению в последующем обучении. Я указал минимальное содержание курса, необходимое для усвоения данной информации студентами первого курса. На мой взгляд, нет необходимости изучать данный объем материала более глубоко, хотя некоторые преподаватели пожелают сделать это. Во всяком случае, основная часть времени должна быть посвящена тому, чтобы великие идеи были действительно поняты. Необходимо использовать значительное количество разнообразных качественных вопросов, чтобы выявить, действительно ли учащиеся усвоили основной материал. Тех вопросов, на которые легко ответить, например, путем подставления чисел в заученные формулы, как правило, недостаточно для проверки знаний студентов».
«Изучение данных понятий на указанном уровне обеспечит студентам необходимое понимание, но не будет занимать все учеьное время. Применительно к современному преподаванию, такое изучение могло бы длиться достаточно долго: дается слишком много материала, уделяется слишком много внимания абстрактной теории, а не химическим реакциям, нет времени для обновления курса с помощью новых, более существенных сведений - таких, как химия окружающей среды, материаловедение, макромолекулы и полимеры, биоорганическая химия - некоторые из которых также должны быть включены в курс общей химии, если мы хотим получить истинное представление о современной химии».
«Как следует представлять основные идеи? Неправильно раскрывать каждую из них полностью и последовательно, поскольку большинство из них необходимы только на ранней стадии обучения. Скорее, мы должны представлять идеи в целом, но не разрабатывать их в полном объеме, следует показать, каким образом они используются для понимания свойств веществ и их реакций, изучая их глубже по мере необходимости. Иными словами, мы могли бы использовать их с целью логического обоснования ограниченного числа свойств и реакций неорганических и органических веществ - выбирая, насколько это возможно, простые, относительно известные или типовые вещества, а также те вещества, которые играют определенную роль в нашей жизни. Тогда мы сможем показать, что они также обеспечивают основу для понимания тех понятий, в рамках которых происходят основные процессы химии, например, химия окружающей среды, материаловедение и биоорганическая химия. Только в контексте таких сфер применения студенты смогут в полной мере оценить важность и полезность великих идей химии».
В мае 1997 года член рабочей группы Рональд Гиллеспи опубликовал статью «Комментарии: Реформирование учебника по общей химии», где он пишет: