В данной работе мы предлагаем одну из форм построения учебного
процесса: моделирование научной деятельности. В качестве предмета деятельности мы используем количественные понятия как метапредметные понятия естественных наук.
Для того чтобы найти адекватное место в учебном процессе количественным понятиям и определить методы их изучения, кратко рассмотрим структуру научного исследования, соотнесенного со стадиями гносеологического цикла, которое вкратце можно представить следующим образом:
- Эмпирический уровень исследования:
— накопление научных фактов;
— систематизация и классификация научных фактов;
— формулирование эмпирических законов и закономерностей.
- Теоретический уровень исследования:
— введение новых понятий, формулирование принципов и гипотез, построение идеализированного объекта;
— построение теории на заданном основании.
- Практическое применение:
— получение следствий (предсказание новых фактов, объяснение известных явлений).
Основываясь на предложенной структуре, можно предложить два пути формирования количественных понятий. Первый путь, соответствующий эмпирическому уровню исследования, формирование количественных понятий с помощью практических работ. Второй путь, соответствующий теоретическому уровню исследования, формирование количественных понятий с помощью теоретических средств: моделей, задач, и так далее.
Полноценное формирование физических величин включает в себя качественную и количественную сторону. Качественная сторона заключается в формировании отношений принадлежности физической величины тому или иному химическому объекту или отношению объектов. Количественная сторона определяется количественным содержанием физической величины и ее изменением в физических, химических и физико-химических объектах.
Формирование физической величины с качественной стороны должно вестись в рамках практических работ, поскольку именно в ходе практических работ возможно наглядное представление об отношениях химических объектов и физических величин.
Например, формирование таких физических величин как масса, объем, плотность вещества должно начинаться с практических работ, в которых бы эти свойства и их принадлежность объектам были представлены. Несложно провести несколько практических работ, чтобы в результате каждой устанавливался «научный факт»: вещество A имеет такую-то массу, вещество Б имеет такой-то объем, вещество В имеет некоторую плотность.
Вторым уровнем научного исследования является теоретический, на котором главную роль играют теоретические средства: эмпирические закономерности, модели и так далее. В школьном курсе химии тоже есть теоретические средства, но они не используются для формулирования количественных закономерностей. Это формулы веществ и уравнения химических реакций как модели химических объектов и процессов. К теоретическим средствам можно также отнести справочные данные, которые, по сути, являются результатом эмпирических исследований, и расчетные задачи.
Уравнение реакции никогда не выступало как объект исследования химических количественных отношений, а являлось вспомогательным средством при решении расчетных задач – с помощью уравнения составлялась пропорция между величинами.
Исследования закономерностей пропорциональности масс, объемов и количеств веществ, участвующих в химических процессах можно вести на любых уравнениях реакций, в которых вещества описываются указанными физическими величинами. Важно, чтобы результат исследования фиксировался в математической форме: уравнения функции, таблицы, графика.
Теоретическое исследование можно проводить на основе справочных данных. Например, исследование плотности растворов уксусной кислоты приводит к факту, что функция зависимости плотности от концентрации нелинейная, а главное немонотонна. Этот факт обозначает проблему и стимулирует выдвижение гипотез относительно универсальности этой закономерности, причин такого изменения плотности и тому подобных.
Еще одним теоретическим средством изучения количественных понятий могут служить расчетные задачи, хотя для этого они никогда не использовались. Расчетные задачи могут выполнять функцию формирования понятий о размере физической величины и количественно определенном изменении физической величины в химических и физико-химических процессах. Основная проблема использования расчетных задач заключается в низком уровне умений учащихся их решать.