Основы современного курса химии

Химия и опытыКаким должен быть курс химии, чтобы он мог увлечь современного школьника? Максимально приближенным к жизни, понятным, напористым, динамичным, поражающим воображение, интригующим. Позволю себе привести примерный перечень главных, сквозных идей, которые, на мой взгляд, должны пронизывать весь этот курс и за счет этого накрепко засесть в головах школьников. Не буду скрывать, что многие из этих идей порождены представленными выше «претензиями» к химии как школьному предмету, служат противовесом им и средством исправления сложившейся ситуации.

1. Область химии — весь материальный мир. Конечно, эта мысль и так остается центральной в школьном курсе, и во всех учебниках приводится много сведений о строении и свойствах природных веществ. Однако на все это наслаиваются много- численные реакции синтеза веществ. В результате с химией ассоциируются исключительно синтетические, искусственно полученные вещества, которые противопоставляются природным. «Кока-кола — это химия, а квас — натуральный продукт». Вполне допускаю, что некоторые из тех, кто разделяют эту точку зрения, с недоверием воспримут информацию, что квас состоит из молекул. Ведь молекулы — «это что-то химическое» . Более того, даже не все синтетические вещества и материалы ассоциируются с химией. Обычный человек назовет стиральные порошки и моющие средства, синтетические ткани и пластмассы, минеральные удобрения (часто с негативным оттенком, опять же с противопоставлением природным веществам). Куцый, скучный перечень, но таковы остаточные знания от школьного курса.

Причина этого заключается, я полагаю, в том, что школьный курс сконцентрирован на процессах, которые можно описать уравнениями химических реакций. Все прочие процессы получения и превращения веществ, как менее интересные с дидактической точки зрения, рассматриваются вкратце или вовсе выводятся за рамки курса. Наиболее показателен здесь раздел, посвященный кремнию. Процессам получения сверхчистого монокристаллического кремния, его легирования, превращения в микросхему, многочисленным химическим реакциям, протекающим при этом на поверхности кремниевой пластины, в большинстве учебников уделяется один-два абзаца. После этого неудивительно, что учащиеся «не видят» химии в компьютерах, мобильных телефонах, плеерах и прочих устройствах, которые заполняют их жизнь.

Под химией понимают воздействие химическим реагентом, при котором протекает некая химическая реакция, описываемая конкретным уравнением. Все прочие воздействия из арсенала современной науки и техники, включая различного рода излучение, плазму, даже температуру и электрический ток, приводящие к превращению вещества, рассматривают как физические, соответственно все вещества и материалы, получаемые с их помощью, стойко ассоциируются с физикой. Чтобы вернуть химии подобающее ей место в представлении людей об окружающем мире, акцент необходимо делать на веществе как основном объекте химии, на материалах, на широчайших возможностях их трансформации с помощью различных воздействий, в том числе химических реагентов.

2. Современная химия — «пир высоких технологий». Химия в изложении большинства школьных учебников выглядит чрезвычайно допотопной наукой, и это впечатление усиливается на фоне сообщений СМИ и различных научно-популярных телевизионных передач о феноменальных успехах и потрясающих открытиях в области биологии и физики (по разным причинам химии в СМИ и научно-популярной литературе уделяется значительно меньше внимания).

Конечно, цветные качественные реакции и титрование важны с методической точки зрения, особенно если школьник с их помощью своими руками определяет содержание каких-либо веществ в объектах окружающей среды. Но в отсутствие лабораторных работ рассматривание соответствующих картинок в учебнике производит гнетущее впечатление. То же относится и к синтезу веществ в установках столетней давности. (Поразительно, но многие мои знакомые не химики, доктора разных наук, считают, что один из основных лабораторных приборов — реторта. Именно это слово почему- то засело в их сознании, не сохранившем со школьных времен даже формулы серной кислоты.) Химические технологии представлены домнами и ректификационными колоннами, вызывающими отвращение у всех школьников, особенно у увлеченных химией.

Необходимо показать школьнику, что химия — передовая наука, использующая в том числе все новейшие достижения смежных наук и технологий. И делать это надо с первого дня изучения химии, а не в выпускном классе, когда интерес к химии безнадежно утрачен.

Начнем с методов анализа. Чрезвычайно легко вписать даже в нынешний курс метод атомно-абсорбционного (атомноэмиссионного) анализа, связав его с рассмотрением строения электронных орбиталей атома. Для объяснения принципа действия атомно-силового микроскопа также не требуется привлекать никаких дополнительных сведений, но вид этого прибора и описание его возможностей, несомненно, поразят школьника. После освоения в курсе физики рентгеновского излучения и интерференции полезно рассказать школьникам о принципах рентгенофазового и особенно рентгеноструктурного анализа, который позволяет установить точную геометрию молекул. Упомянем также хроматографию, хотя объяснить ее, как ни странно, сложнее, чем принцип действия атомно-силового микроскопа и других описанных приборов. Это потребует более глубокого описания в школьном курсе свойств поверхности и поверхностных явлений, что, впрочем, находится в русле современной науки и полезно, в том числе и с этой точки зрения.

Необходимо продемонстрировать школьникам несколько современных технологических приемов получения разнообразных веществ. Например, метод прямого синтеза веществ из атомов в варианте молекулярно-лучевой эпитаксии. Его чрезвычайно легко объяснить даже на начальном этапе изучения химии, потому что для него не требуется никаких специальных знаний. От этого химического процесса протягивается ниточка к столь любимым школьниками лазерам, а вид установок для молекулярно-лучевой эпитаксии, прообразов мини-фабрик будущего, восхищает даже специалистов. Следует упомянуть также о машинном синтезе веществ, как в варианте твердофазного синтеза полипептидов и олигонуклеотидов по Меррифилду, так и в варианте комбинаторной химии.

Нет нужды погружаться в конкретный, детальный химизм этих процессов, это требует дополнительных знаний и времени, главное — принцип действия и возможности использования. Я разделяю мнение многих коллег, что машинный синтез — это рутина, убивающая романтику химии. Но такое уж сейчас время — неромантическое, и молодые люди, работающие в химии, не любят стоять у тяги, а отдают предпочтение различным автоматизированным установкам, исследовательским приборам и экранам мониторов. И надо показать школьникам, что химия может удовлетворить эти их устремления. А использование компьютерных технологий в химии достойно того, чтобы его вынести в отдельный пункт.

3. Всесилие химии. Лейтмотив: современная химия может получить все, что не запрещено природой; может придать веществу наперед заданные свойства; мы можем определить строение любого вещества и его содержание в объектах окружающей среды.

4. Химия как количественная наука. Необходимо усилить в школьном курсе разделы, посвященные физической химии — термохимии, кинетике, равновесию, с проведением расчетов для нескольких конкретных примеров или хотя бы объяснением принципов такого расчета.

5. Предсказательная способность химии. В химии множество закономерностей, позволяющих делать предсказания о свойствах веществ, но в нынешних школьных учебниках на эти закономерности наслаиваются разного рода частности и исключения, которых в химии действительно в преизбытке. Акцент, по моему мнению, следует сделать все же на закономерностях, пожертвовав частностями и исключениями. Необходимо познакомить школьников с работами в области установления соотношений «структура—свойство», а также с методами дизайна молекул и материалов. Дизайн — ключевое слово!

6. Роль компьютерных технологий. Современные школьники не мыслят жизни без компьютеров, поэтому необходимо постоянно подчеркивать широкое использование компьютерных технологий в химии для расчета характеристик молекул, их дизайна, установления структуры, машинного синтеза и т. д.

7. Перспективы. Все учебники грешат безапелляционностью, преподношением истины в последней инстанции, в какой-то мере это даже оправданно, потому что молодость любит определенность, сомнения приходят с годами вместе с размышлениями. В то же время молодые люди хотят видеть перспективу («перспективный/бесперспективный» — одни из самых употребляемых слов молодежного сленга), а вот этого школьный учебник химии им и не дает. Все сделано, причем сделано давно! Там больше нечего делать! Признаюсь, что именно так мы с товарищами относились к неорганической химии в школьные и студенческие годы. Как же мы ошибались!

Не надо бояться показать молодым людям, что в химии есть еще много неясного, есть точки роста, есть целые направления, которые предстоит разрабатывать им, если они выберут химию в качестве дела своей жизни. Водородная энергетика, материалы для квантовых компьютеров, утилизация диоксида углерода и спасение нашей планеты от климатической катастрофы, промышленная реализация процесса фотосинтеза, создание новой химической технологии на основе возобновляемых источников сырья, получение метаматериалов с отрицательным показателем преломления для плаща-невидимки — эти и другие задачи должны воодушевить молодых людей и привлечь их внимание к химии. Пусть не как к будущей профессии, но хотя бы как к школьному предмету, достойному изучения, — это интересно и может понадобиться! Понятно, что такой курс — дело будущего. Ведь для этого нужны: программы, учебники, подготовленные учителя, педагогические эксперименты.