Научные языки и межпредметные связи

В дидактике давно существует важная проблема межпредметных связей. В ее основе лежит противоречие между единством природы и дисциплинарной раздробленностью предназначенного для ее изучения естествознания. Даже если эта раздробленность и является неизбежным следствием стадии научного анализа, она должна быть затем преодолена путем некоторого синтеза. Без этого результаты естественных наук будут, так или иначе, неадекватными практике.

Действительно, как было показано выше, способы профессиональной деятельности специалистов разного профиля (физиков, химиков, биологов и др.), вследствие различия решаемых задач, сильно отличаются между собой, что отражается и в структуре личности специалиста, и в способах его мышления, и в используемом языке. Однако абсолютизация физических, химических или иных частных способов видения мира и решения задач недопустима. Реальный мир не соответствует ни концептуально-понятийному миру физиков, ни аналогичному миру химиков, ни какому-либо иному. Реальные проблемы также нельзя отнести однозначно ни к физическим, ни к химическим. Профессионально "очищенные" задачи встречаются только в головах специалистов, в учебниках и иногда в лабораторных практикумах.

Поэтому узко дисциплинарные подходы к решению реальных задач, всегда имеющих комплексный характер, всегда должны использоваться вместе, в совокупности. Идеальным вариантом в достижении этой цели была бы подготовка специалистов-универсалов, одинаково хорошо владеющих всеми разделами естествознания. К сожалению, этот идеал недостижим и практически мы вынуждены удовлетворяться вариантом совместных действий группы специалистов разных профилей. Результативность деятельности такой группы обусловлена эффективностью взаимодействия ее членов, согласованностью их действий. Поэтому одной из важнейших задач профессиональной подготовке является обучение студентов правильному определению способов взаимодействия специалистов разных профилей в решении реальных комплексных задач.

Для решения проблемы междисциплинарных связей необходимо точно знать происхождение самой этой проблемы и сущность всех ее аспектов. Можно заметить, что в литературе часто встречаются поверхностные и даже неправильные ее трактовки. В большинстве случаев они основаны на редукционистском принципе, согласно которому существуют науки более и менее фундаментальные. Соответственно, задача педагога сводится к выявлению и последовательному описанию направлений, в которых осуществляется сведе́ние одной науки к другой, более фундаментальной. В качестве типичного примера можно привести такое сведе́ние одного из основных законов химии — периодического закона Д.И. Менделеева — к физическим электронно-орбитальным моделям атома.

Хотя в отдельных случаях такой подход возможен, в целом проблема междисциплинарных связей является гораздо более многоплановой и сложной. Ее решение сталкивается с рядом трудностей — методологических, когнитивных, психологических и т.д. К ним можно отнести, например, трудности, связанные с описанным выше использованием одинаковой терминологии в разных смыслах, а также психологические моменты, связанные с т.н. "профессиональным догматизмом" и др.

Рассмотрим несколько случаев междисциплинарных связей, различных по своему характеру, на примере использования физических представлений в химии и, наоборот, химических представлений в других областях естествознания.

Высококвалифицированный химик никогда не ограничивается в решении своих профессиональных задач применением только собственно химических понятий и представлений. Напротив, он, как правило, хорошо знаком с физическими понятиями, концепциями, законами, структурными моделями веществ (как внутримолекулярными, так и надмолекулярными) и широко применяет их для получения дополнительной информации, которая так или иначе может оказаться полезной. Подчеркнем, что это, вопреки распространенным утверждениям, не делает данные модели химическими, так же как широкое использование физиками математических понятий (интегралов, уравнений, операторов и т.д.) не отменяет математической природы этих понятий. Необходимость обращения химиков к физике связана с тем, что реальные практические проблемы, всегда имеющие комплексный характер, невозможно решить чисто химическими методами. Естественно, что имеется ряд ситуаций, когда обращение к физике становится не только желательным, но и необходимым. Можно выделить ряд областей химии, тесно связанных с физикой.

Химическая термодинамика. Данная область представляет собой наиболее характерный пример в ряду значительных пробелов в теоретической химии, образовавшихся в силу исторических причин. Проблематика, связанная с химическим равновесием, сложилась в химии к середине 19 века, когда в физике быстро разрабатывалась термодинамика. Оказалось, что методы термодинамики эффективны не только в области собственно физических явлений, но позволяют достаточно хорошо описывать и химические равновесия. Поэтому химики удовлетворились тем, что просто адаптировали физическую термодинамику к химии и не стали тратить силы на разработку химической теории равновесия.

Химическая кинетика. Похожая ситуация сложилась в области исследования скоростей химических превращений. В середине 19 века эти проблемы решались только физическими методами. Однако, в отличие от методов термодинамики, методы физической кинетики оказались недостаточно эффективными. В результате химики вынуждены были построить практически заново всю теорию химической кинетики на собственно химических основах. Тем не менее, физический период развития химической кинетики оставил в ней заметный след. Так, одно из главных понятий химической кинетики — скорость реакции — до сих пор определяется по аналогии с механикой:

v = dq / dt w = d x/ dt

"механическая" скорость "химическая" скорость

(q — механическая координата) (x — химическая координата)

Коллоидная химия. Ситуация другого типа связана с возникновением коллоидной химии. Опыт показал, что химические свойства высокодисперсных (коллоидных) веществ зависят не столько от их химического состава, сколько от физического строения поверхности. Поэтому методы классической химии, предназначенные для предсказания реакционной способности веществ, оказались в этом случае малоэффективными в принципе и были полностью заменены пространственными структурными моделями физического типа. Именно поэтому в последнее время сама эта дисциплина часто именуется как "физико-химическая механика дисперсных систем".

Стереохимия и кристаллохимия. Еще один вариант использования физических моделей в химии связан с тем фактом, что химическую реакционную способность веществ можно увязать с некоторыми особенностями их строения, имеющими пространственный характер: размерами, формой и симметрией молекул, пространственной конфигурацией атомов (атомных ядер) в твердых телах и т.д. Необходимость учета подобных эффектов в химических процессах привела к широкому внедрению в химию пространственных моделей молекул (стереохимия) и твердых тел (кристаллохимия). Поскольку, в отличие от физики, такие модели не имеют динамического характера, их правильнее трактовать как разновидность математических (геометрических) моделей, приспособленных для решения чисто химических задач.

Электронная и квантовая химия. В этой области физические и химические представления особенно хорошо "перемешаны". Широкое внедрение электронных моделей в современную химию часто рассматривается как историческая заслуга физиков. Это, однако, совершенно неоправданно. Электроны представляют собой реальные составные части любого вещества, что дает основание как физикам, так и химикам, включать их в свои структурные модели. Однако, роли, приписываемые электронам в физических и химических моделях, принципиально различны. Другими словами, электрон с точки зрения химика выглядит иначе, чем тот же электрон с точки зрения физика.

Для физика электрон — это самостоятельный объект, который можно охарактеризовать числовыми значениями механических наблюдаемых (масса, заряд, энергия, спин и т.д.), найденными как результаты экспериментальных измерений. Именно поэтому физики полагают, что электрон был открыт в 1897 г., т.е. тогда, когда Дж. Томсону впервые удалось выделить электроны в свободном виде и выполнить над ними необходимые измерения (отношение заряда к массе). Для химиков электрон — это составная часть как вещества в целом, так и входящих в состав этого вещества атомов и молекул. Поэтому химики знали о существовании электронов задолго до физиков — по крайней мере со времени работ М. Фарадея по изучению законов электролиза и дуалистической теории химического взаимодействия Берцелиуса, т.е. с первой четверти 19 века.

Развитые электронные модели молекул также были разработаны сначала именно в химии. Эти модели предназначались для решения чисто химических проблем (объяснение природы химических связей, реакционной способности молекул и т.д.) и опирались на химический эмпирический материал (периодическую таблицу Д.И. Менделеева, данные по химическим свойствам веществ, механизмам химических реакций и т.д.). Эти электронные модели прямо продолжали основную линию структурной химии, и только поэтому они оказались весьма успешными. В частности, Дж. Льюис уже в 1916 г. опубликовал обширную статью ("Атом и молекула"), в которой дано систематическое изложение электронной химии, а Н. Бор в 1921 г. смог построить химические электронные модели атомов, соответствующие их положению в периодической таблице Д.И. Менделеева. В то же самое время физики столкнулись с серьезными проблемами в попытках построить физические (динамические) модели атомов, поскольку классическая механика оказалась непригодной для этого. В результате физики были вынуждены разработать совершенно новую механику — волновую или квантовую, практическое применение которой стало возможным только с конца 20‑х годов.

Дальнейшее развитие электронных моделей шло в двух различных направлениях: квантовая механика атомов и молекул, предназначенная для решения чисто физических задач, и квантовая химия, предназначенная для решения химических задач. Хотя квантовая химия позаимствовала из механики многие физические представления, эти представления были значительно переработаны с целью их включения в систему химических понятий. Например, решая динамическую задачу о характере движения электрона, квантовая механика пришла к важному понятию "стационарного состояния", т.е. такого, в котором все наблюдаемые величины сохраняют во времени свои числовые значения. В рамках квантовой химии это понятие было трансформировано в собственно химические понятия "орбиталь" и "электронное облако", используемые для построения химических структурных моделей молекул.

Другими словами. орбитали и электронные облака стали рассматриваться как составные части химических молекул (наподобие химических атомов, радикалов, функциональных групп, реакционных центров и т.д.), определяющие некоторые особенности их реакционной способности. Главное назначение этих составных частей молекул заключается в том. что с их помощью можно сделать классическую химическую структурную модель более детальной и более количественной. Например, в рамках орбитальной модели можно получать априорные количественные оценки таких характеристик молекулы, как порядки химических связей, локальные электрические заряды атомов, индексы свободной валентности и др., которые ранее определялись только на основе эмпирических данных.

Таким образом, химические электронные представления развивались самостоятельно и параллельно с аналогичными физическими. В частности, учет электронной структуры позволил химикам разработать более информативные химические структурные модели атомов и молекул, которые, однако, не утратили своей химической природы и специфики.

Инструментальные физические методы. Данный раздел представляет собой особый случай взаимодействия физики и химии. Инструментальные методы анализа и исследования играют в химии чрезвычайно важную роль. С другой стороны, практически все такие методы имеют чисто физическую природу и, следовательно, физическую теоретическую основу. Например, причины образования ИК-, УФ- или ЯМР-спектров, особенности их структуры, практические способы их снятия и математической обработки описываются исключительно разделами физики. Тем не менее, химики используют эти методы для решения чисто химических задач и вынуждены были разработать свои специфические методы интерпретации таких спектров. Например, ИК-спектр с точки зрения физика отражает типы колебательных движений в молекуле (нормальные колебания, их частоты и формы), Поэтому неизбежное перекрывание линий и полос спектра является для физика безусловным злом и он всячески старается предотвратить это перекрывание (охлаждение до низких температур, максимальное разбавление вещества и т.д.). Идеалом для физика был бы спектр единственной изолированной молекулы, состоящий из индивидуальных полос (частот).

Тот же самый ИК-спектр с точки зрения химика отражает наличие в молекуле определенных структурных фрагментов (функциональные группы и их взаимное положение, химические связи и их порядки и т.д.). Поэтому для химика особенности спектра, которые связаны с меж- и внутримолекулярными взаимодействиями и отражают реальную молекулу в составе вещества, особенно важны. Напротив, спектр изолированной молекулы, несмотря на максимально высокое его качество, был бы для химика менее полезен. Аналогично обстоит дело и с другими разновидностями инструментальных методов. УФ-спектр с точки зрения физика отражает наличие электронных энергетических уровней и правила отбора для переходов между ними. Тот же спектр с точки зрения химика отражает наличие в молекуле хромофорных групп и их взаимное влияние. ЯМР-спектр для физика несет информацию о спиновых и магнитных моментах атомных ядер и интенсивности их взаимодействий. Напротив, химик в ЯМР-спектре видит информацию о наличии в молекуле определенных типов атомов и их относительном расположении.

Таким образом, химик использует физические методы лишь как инструмент для достижения своих целей, не вдаваясь детально в их теоретическое обоснование. Действительно, большинство химиков не только не владеет теорией этих методов, но даже и незнакомо с ней, что не мешает им извлекать ценную химическую информацию о химических свойствах и химическом строении веществ и молекул.

Химические представления в смежных областях естествознания. Так же как химики в ряде ситуаций вынуждены использовать представления и методы других наук, решение ряда задач в физике, биологии, геологии и т.д. невозможно или нецелесообразно без привлечения химических представлений и методов.

Так, физики часто сталкиваются с необходимостью исследования таких процессов, которые невозможно по тем или иным причинам описать детально, от точки к точке, как того требуют дифференциальные уравнения механики. В частности, к процессам такого типа относятся микроскопические (квантовомеханические) события. Невозможно проследить экспериментально за траекторией перемещения электрона от начального положения, где он "приготовлен" с помощью некоторого источника, к конечному, где он зафиксирован детектором. Поэтому в области микромира физики вынуждены были отказаться от понятия траектории и ввести понятие квантового скачка, своеобразного "превращения" одного состояния в другое. Для описания таких скачкообразных "превращений" физики вынуждены были использовать средства, полностью аналогичные химическим. Их изобретение химиками также было обусловлено тем обстоятельством, что химикам неизвестны (а во многих случаях просто не нужны) детали химического превращения, но они могли надежно установить начальное и конечное состояния. Химическое превращение, с точки зрения химика, всегда представляет собой дискретный (квантовый) скачок. Именно поэтому в химии так распространены схемы и уравнения реакций типа:

Физические явления часто сопровождаются структурными перегруппировками составных объектов. И в этом случае естественным языком для описания таких процессов служит именно химический язык. Так существует большой раздел физики — ядерная химия, само название которого свидетельствует о том, что теоретическое описание ядерных превращений основано на использовании химических понятий и моделей: состав, химические уравнения, энергетические эффекты, законы сохранения и т.д.

Наконец, физики часто вынуждены пользоваться химическими экспериментальными приемами и методиками. Обращение к ним неизбежно всякий раз, как перед физиком встает химическая задача: получение или модификация вещества, его очистка и идентификация, учет химического влияния среды (например, окислительное действие воздуха, взаимодействие с растворителем) и т.д.

В еще большей­ степени химические методы и представления необходимы биологам. Именно химические методы наиболее эффективны при исследовании таких проблем, как сущность и закономерности обмена веществ в живых организмах, взаимодействие между организмом и окружающей средой, генетический механизм наследования и т.д. Преследуя свои специфические цели, биологи, тем не менее, пользуются чисто химическими понятиями вещества и его химического строения, химического превращения, химической реакции и т.д.

Следует подчеркнуть, что физики, биологи и представители других естественных наук, пользуясь химическими методами, отнюдь не превращаются в химиков, поскольку их цели остаются физическими, биологическими и т.д. Так, биолог, описывая строение молекулы ДНК с помощью химических понятий, преследует не химическую цель синтеза этого вещества, а решает биологическую задачу о том, какую биологическую роль молекулы такого типа играют в функционировании организмов. Если бы химику предложили решить задачу классификации различных типов ДНК, он в качестве классификационных признаков выделил бы химический состав ДНК, молекулярную массу, функциональные группы, реакционные центры, типы химических связей и т.д. Биолог ту же самую задачу стал бы решать совершенно иначе — по признакам принадлежности ДНК различным видам организмов, по влиянию мутагенных факторов, по распределению генов, по способам репликации и т.д.

Из сказанного выше следует, что совместное, комплексное использование методов различных естественных наук для решения практических задач не имеет принципиальных противопоказаний, а, напротив, является очень распространенным делом. Необходимая согласованность всегда может быть достигнута, если правильно расчленена и к каждой ее части применяются адекватные ее сущности методы. Для этого специалисты должны хорошо владеть своими профессиональными языками и уметь "договариваться" между собой. Это, в свою очередь, приводит к проблеме перевода.

Например, химика интересует реакционная способность некоторого вещества. Он может прибегнуть к естественному для химии методу — установить тем или иным путем химическое строение этого вещества и вывести из него необходимые предсказания. Несмотря на надежность таких предсказаний, они не дают полной картины, поскольку существующие в настоящее время химические структурные модели еще не могут отражать ряд тонких деталей в реакционном поведении веществ. В то же время химик знает, что, помимо химических, имеются и физические структурные модели того же самого вещества. Они вполне могут содержать некоторую информацию о веществе, полезную для решения именно химической проблемы, хотя и полученную физическими методами.

Проблема заключается в том, как извлечь эту информацию из физической модели, как перевести ее на химический язык. Допустим, физик предоставил химику свою структурную модель атома водорода, в которой имеются исчерпывающие сведения об изолированном атоме водорода: масса и энергия атома, орбитальный момент электрона, спиновые моменты электрона и ядра, магнитные характеристики атома, его поляризуемость и др. Сведения эти выражены вполне объективно — в виде чисел, являющихся результатами экспериментальных измерений или надежных расчетов по квантовомеханическим уравнениям. Однако каким образом на основании этих чисел сделать правильные предсказания о поведении атома водорода в некоторой химической реакции? Будет ли этот атом водорода эффективно присоединяться к молекуле бензола или замещать атом хлора в молекуле хлорэтана? Сложность таких вопросов усугубляется тем обстоятельством, что химик никогда не проводит свои реакции с отдельными атомами и молекулами, а всегда имеет дело с макроскопическими объектами — веществами, в которых содержится огромное число и атомов, и молекул. Кроме того, эти атомы и молекулы сложным образом взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. О характере и влиянии этих взаимодействий в физической структурной модели атома водорода нет никаких сведений.

Таким образом, физик при построении структурной модели задает себе одни вопросы, а химик — другие. Поэтому ответы, получаемые физиком на свои физические вопросы, как правило, являются бесполезными для прояснения ответов на другие — химические — вопросы. Отсюда вытекает, что непосредственное (без предварительного перевода на язык химии) применение физических данных об атоме водорода возможно только тогда, когда сами химические реакции рассматриваются как физические процессы — механические перемещения атомных ядер и электронов в пространстве. Даже если такую механическую задачу удастся когда-нибудь решить с разумной точностью, химическая проблема реакционной способности водорода все равно останется в прежнем состоянии.

Поэтому химики обычно действуют другим способом. Они включают физические (механические) параметры в свою химическую модель атома водорода и эмпирически устанавливают взаимосвязи между этими параметрами (энергией, электронным спином и т.д.) и поведением водорода в химических реакциях. Если такие взаимосвязи удается установить, то само механическое понятие, например "спин", значительно модифицируется — из механической наблюдаемой оно превращается в параметр химической модели, подобный валентности или электроотрицательности. В этой роли спин уже характеризует не изолированный атом водорода, а водород-элемент как потенциальный участник определенного типа ("спин-чувствительных") химических реакций. В результате такой адаптации понятие спина приобретает собственно химический смысл и может быть включено в лексику химического языка.

Таким образом, перевод физических высказываний на химический язык возможен, но требует адаптации физических понятий (как правило, через посредство эмпирических исследований), что всегда сопровождается значительным изменением их смысла и содержания. В сущности, это даже не перевод, а развитие собственно химического языка с некоторой помощью ("наводкой") со стороны физики. Очевидно, что умение осуществлять такие переводы или, по крайней мере, способность оценивать их качество, должно быть непременной чертой современного специалиста, а обучение такому умению — входить в курс фундаментальной подготовки.

В связи с проблемой перевода нужно остановиться на специфической роли математического языка. Математические средства являются неотъемлемой частью теоретического аппарата любой естественной науки, хотя степень математизации может быть очень различной. Например, в химии математическая компонента преимущественно представляет собой более или менее обширный арсенал вычислительных алгоритмов. Математика, однако, способна на большее: она дает естественным наукам логические средства для глубокой структурной переработки информации, в том числе и экспериментальных данных. Среди этих средств наиболее полезными являются математические структурные модели (векторные пространства, группы, графы, скалярные и векторные поля и т.д.), полезность которых обусловлена высокой степенью и совершенством их структурированности. Так, группы имеют богатую внутреннюю структуру: подгруппы, классы смежности и классы эквивалентности, неприводимые представления и т.д., которая может эффективно использоваться для систематизации и обобщения химической информации. Математические структуры являются наиболее эффективным средством для компактификации знаний и поэтому степень совершенства естественнонаучных дисциплин напрямую связана с широтой использования ими таких структур.

Важной особенностью математических структур является их абстрактность. Элементы такой модели, например, векторы, остаются всегда математическими понятиями, независимо от конкретного смысла, вкладываемого в них физиками или химиками. Так, в квантовой механике "вектор состояния" интерпретируется как совокупность амплитуд переходов системы из некоторого начального состояния в базисные состояния, порождаемые измерительным прибором. В химии "вектор состава" представляет собой список чисел молей химических веществ, входящих в систему. Несмотря на различия в интерпретации, физический "вектор состояния" и химический "вектор состава" обладают в точности одинаковыми математическими свойствами, а их полные совокупности образуют одну и ту же математическую структуру — векторное пространство.

В таких случаях тождество математической основы позволяет полностью согласовать физические и химические представления. Поэтому взаимный перевод теоретических конструкций с одного варианта профессионального языка на другой может быть осуществлен особенно эффективно в том случае, когда эти конструкции построены на основе особого математического формализма — математических структур. Отсюда следует, что максимально широкое внедрение математических структурных моделей является одним из главных способов прогрессивного развития естественных наук и совершенствования их языка.

Дата добавления: 2015-07-10