Все вокруг нас состоит из химикатов.От цвета, который делает розу такой красной, до бензина, которым наполняют наши автомобили, и кремниевых чипов, питающих наши компьютеры и сотовые телефоны… Химия повсюду! Понимание того, как химические молекулы образуются и взаимодействуют для создания сложных структур, позволяет нам использовать силу химии и использовать ее, как набор инструментов, для создания многих современных достижений, которые мы наблюдаем сегодня. Это включает в себя достижения в медицине, связи, транспорте, строительной инфраструктуре, науке о продуктах питания и сельском хозяйстве, а также почти во всех других технических областях, которые вы можете себе представить.

Химия — одна из отраслей науки. Наука — это процесс, с помощью которого мы изучаем естественную Вселенную, наблюдая, проверяя, а затем создавая модели, объясняющие наши наблюдения. это процесс, с помощью которого мы узнаем о естественной Вселенной, наблюдая, проверяя, а затем создавая модели, которые объясняют наши наблюдения. Поскольку физическая вселенная настолько обширна, существует множество различных областей науки (рис. 1.1). Таким образом, химия изучает материю, биология изучает живые существа, а геология изучает горные породы и землю.Математика — это язык науки, и мы будем использовать его для передачи некоторых идей химии.

Хотя мы разделяем науку на разные области, между ними есть много общего. Например, некоторые биологи и химики так много работают в обеих областях, что их работа называется биохимией. Точно так же геология и химия пересекаются в области, называемой геохимией. На рисунке 1.1 показано, сколько отдельных областей науки связаны между собой.

Рисунок 1.1: Отношения между некоторыми из основных отраслей науки. Химия находится более или менее посередине, что подчеркивает ее важность для многих областей науки.

Часть понимания материи заключается в том, чтобы ее описать. Один из способов, которым химики описывают материю, — это относить разные свойства к разным категориям. Свойства, которые химики используют для описания материи, делятся на две основные категории.Физические свойства — это характеристики, которые описывают вещество, такие как температура кипения, точка плавления и цвет. Физические изменения, такие как плавление твердого вещества в жидкость, не изменяют химическую структуру этого вещества. Химические свойства — это характеристики, которые описывают, как химическая структура вещества изменяется во время химической реакции. Примером химического свойства является воспламеняемость — способность материала гореть — потому что горение (также известное как горение) изменяет химический состав материала.

Любой образец вещества, который имеет одинаковые физические и химические свойства во всем образце, называется веществом. Есть два типа веществ. Вещество, которое не может быть разбито на химически более простые компоненты, является элементом. Алюминий, который используется в банках из-под газировки, — это элемент. Вещество, которое можно разбить на химически более простые компоненты (поскольку оно состоит из более чем одного элемента), представляет собой соединение. Вода — это соединение, состоящее из водорода и кислорода.Сегодня в известной вселенной около 118 элементов, которые организованы на фундаментальной диаграмме, называемой Периодической таблицей элементов (рис. 1.2). Напротив, на сегодняшний день ученые идентифицировали десятки миллионов различных соединений.

Наименьшая часть элемента, которая поддерживает идентичность этого элемента, называется атомом. Атомы очень крошечные; чтобы сделать линию длиной в 1 дюйм, вам понадобится 217 миллионов атомов железа! Точно так же самая маленькая часть соединения, которая поддерживает идентичность этого соединения, называется молекулой.Молекулы состоят из атомов, которые соединены вместе и ведут себя как единое целое (рис. 1.2). Ученые обычно работают с миллионами атомов и молекул одновременно. Когда ученый работает

Рисунок 1.2: ( Верхняя панель) Периодическая таблица элементов — это организованная диаграмма, которая содержит все известные химические элементы. ( Нижняя панель ) Слева от стрелки показан один атом кислорода и два атома водорода. Каждый из них представляет собой отдельные элементы.Когда они объединены с правой стороны, они образуют единую молекулу воды (H ₂ O). Обратите внимание, что вода определяется как соединение, потому что каждая отдельная молекула состоит из более чем одного типа элементов, в данном случае из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

с большим количеством атомов или молекул одновременно, ученый изучает макроскопическое представление Вселенной. Однако ученые могут также описывать химические явления на уровне отдельных атомов или молекул, что называется микроскопической точкой зрения.В этой книге мы увидим примеры как макроскопических, так и микроскопических точек зрения (рис. 1.3).

Рисунок 1.3: Сколько молекул необходимо для точки в предложении? Хотя мы не замечаем этого с макроскопической точки зрения, материя состоит из микроскопических частиц, настолько крошечных, что нужны миллиарды их, чтобы образовать пятнышко, которое мы можем увидеть невооруженным глазом. X25 и X400000000 указывают, сколько раз изображение было увеличено.

Материал, состоящий из двух или более веществ, представляет собой смесь.В смеси отдельные вещества сохраняют свою химическую идентичность. Многие смеси представляют собой очевидные комбинации двух или более веществ, например, смесь песка и воды. Такие смеси называют гетерогенными смесями. В некоторых смесях компоненты настолько тесно связаны, что действуют как единое вещество, хотя это не так. Смеси с однородным составом называются гомогенными смесями. Гомогенные смеси, которые перемешиваются настолько тщательно, что ни один компонент не может наблюдаться независимо от другого, называются растворами.Растворенный в воде сахар является примером решения. Металлический сплав, такой как сталь, является примером твердого раствора. Воздух, состоящий в основном из азота и кислорода, представляет собой газообразный раствор.

Рисунок 1.4: Гетерогенные и однородные смеси. Смесь содержит более одного вещества. На верхней панели вы видите пример неоднородной смеси масла и воды. Смесь неоднородна, потому что вы можете визуально увидеть два разных компонента в смеси.На нижней панели вы видите пример однородной смеси, кофе. Он однороден, потому что вы не можете различить множество различных компонентов, из которых состоит чашка кофе (вода; кофеин; кофейные алкалоиды и дубильные вещества). Все выглядит одинаково. Если смесь однородная, а также прозрачная или прозрачная, ее называют раствором. В нашем примере кофе — это раствор; однако концентрированный эспрессо может быть очень непрозрачным и представлять собой только гомогенную смесь, а не раствор.

Другой способ классификации материи — описать ее как твердое тело, жидкость или газ, как это было сделано в примерах растворов, приведенных выше. Эти три описания, каждое из которых подразумевает, что материя обладает определенными физическими свойствами, представляют три фазы материи. Твердое тело имеет определенную форму и определенный объем. Жидкости имеют определенный объем, но не определенную форму; они принимают форму своих контейнеров. У газов нет ни формы, ни объема, они расширяются, заполняя свои сосуды.Каждый день мы сталкиваемся с материей в каждой фазе. Фактически, мы регулярно встречаем воду во всех трех фазах: лед (твердая), вода (жидкость) и пар (газ).

Из нашего опыта работы с водой мы знаем, что вещества могут переходить из одной фазы в другую при подходящих условиях. Обычно изменение температуры вещества (и, реже, оказываемого на него давления) может вызвать фазовый переход или физический процесс, в котором вещество переходит из одной фазы в другую (рис. 1.5). Фазовые изменения имеют определенные названия в зависимости от того, какие фазы задействованы, как показано в Таблице 1.1.

Рисунок 1.5. Анализ фазовых изменений. ( Верхняя панель ) Фотография кипящей воды демонстрирует фазовый переход воды из жидкой фазы в газообразную. Обратите внимание, что фазовые изменения — это физическое свойство молекулы. Вода остается химически такой же (H ₂ O) в твердом, жидком или газообразном состоянии. ( Нижняя панель ) Изменение температуры может вызвать фазовые изменения. Выше — температурная шкала фазовых переходов воды.Если вы добавите тепло к твердому льду, вода будет таять при 0 9 11 34 o 9 11 35 C и закипать при 100 9 11 34 o 9 11 35 C. Если вы уберете тепло от газообразной воды, она будет конденсироваться в жидкое состояние при 100 9 11 34 o 9 11 35 C и замерзнуть при температуре 100 9 11 34 o 9 11 35 C. 0 ^o C.

Таким образом, рис. 1.6 «Классификация материи» иллюстрирует взаимосвязь между различными способами классификации материи.

Рисунок 1.6 Классификация материи. Вещество можно классифицировать по-разному в зависимости от его свойств

(Вернуться к началу)

Раздел 2: Как ученые изучают химию

Как работают ученые? Как правило, они следуют процессу, называемому научным методом.Научный метод — это организованная процедура изучения ответов на вопросы. Чтобы найти ответ на вопрос (например, «Почему птицы летают к экватору Земли в холодные месяцы?»), Ученый выполняет следующие шаги, которые также показаны на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 Общие этапы научного метода. В реальной жизни шаги могут быть не такими четкими, как описано здесь, но большинство научных работ следует этому общему плану.

Предложите гипотезу. Ученый генерирует проверяемую идею или гипотезу, чтобы попытаться ответить на вопрос или объяснить, как устроена естественная вселенная. Некоторые люди используют слово теория вместо гипотезы, но слово гипотеза — правильное слово в науке. В научных приложениях слово теория — это общее утверждение, описывающее большой набор наблюдений и данных. Теория представляет собой высший уровень научного понимания и построена на широком спектре фактических знаний или данных.

Проверить гипотезу. Ученый оценивает гипотезу, разрабатывая и проводя эксперименты для ее проверки. Если гипотеза проходит проверку, это может быть правильным ответом на вопрос. Если гипотеза не проходит проверку, это может быть плохой ответ.

При необходимости уточните гипотезу. В зависимости от результатов экспериментов, ученый может захотеть изменить гипотезу, а затем снова проверить ее. Иногда результаты показывают, что исходная гипотеза полностью ошибочна, и в этом случае ученому придется разработать новую гипотезу.

Не все научные исследования достаточно просты, чтобы их можно было разделить на эти три отдельных этапа. Но эти шаги представляют собой общий метод, с помощью которого ученые узнают о нашей естественной вселенной.

(Вернуться к началу)

Изучение химии может включать очень большие числа. Он также может включать в себя очень маленькие числа. Записать такие числа и использовать их в длинной форме проблематично, потому что мы потратим слишком много времени на написание нулей и, вероятно, сделаем много ошибок! Решение этой проблемы есть.Это называется научным обозначением.

Научная нотация позволяет нам выражать очень большие и очень маленькие числа, используя степень 10.

Напомним, что:

10

10

Как видите, степень, в которую возводится 10, равна количеству нулей, следующих за 1. Это поможет определить, какой показатель использовать, когда мы выражаем числа в экспоненциальной нотации.

Возьмем очень большое число:

579, 000, 000, 000

и выразите его в экспоненциальной нотации.

Сначала мы находим коэффициент, который представляет собой число от 1 до 10, которое будет умножено на 10 в некоторой степени.

Наш коэффициент: 5,79

Это число будет умножено на 10 в некоторой степени. Теперь давайте разберемся, что это за сила.

Мы можем сделать это, посчитав количество позиций, которые стоят между концом исходного числа и новой позицией десятичной точки в нашем коэффициенте.

5. 7 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0

↑ ↑

Сколько там позиций?

Мы видим, что между десятичной запятой и концом исходного числа есть 11 позиций. Это означает, что наш коэффициент 5,79 будет умножен на 10 в 11-й степени.

Наше число, выраженное в экспоненциальной шкале:

5,79 х 10

А как насчет очень маленьких чисел?

Как вы помните:

10

10

Количество пробелов справа от десятичной точки для нашей 1 равно числу в экспоненте, стоящему за отрицательным знаком. Это полезно иметь в виду, когда мы выражаем очень маленькие числа в научных обозначениях.

Вот очень маленький номер:

0,0000642

Выразим это число, используя научную запись.

Наш коэффициент будет 6.42

Это число будет умножено на 10 в некоторой степени, которая будет отрицательной. Давайте выясним правильную мощность. Мы можем выяснить это, посчитав, сколько позиций находится между десятичной точкой в ​​нашем коэффициенте и десятичной точкой в ​​нашем исходном числе.

0. 0 0 0 0 6 4 2

Сколько позиций?

Между нашей новой десятичной точкой и десятичной точкой в ​​исходном числе 5 позиций, поэтому наш коэффициент будет умножен на 10 в отрицательной пятой степени.

Наше число, записанное в экспоненциальной системе счисления:

6,42 х 10

Вы можете использовать эти методы для выражения любого большого или малого числа в экспоненциальной нотации.

(Вернуться к началу)

Международная система единиц, сокращенно SI от французской Système International D’unités, является основной системой единиц измерения, используемой в науке.С 1960-х годов Международная система единиц была принята на международном уровне как стандартная метрическая система. Базовые единицы СИ основаны на физических стандартах. Определения базовых единиц СИ изменялись и продолжают изменяться, и по мере достижений науки добавляются новые базовые единицы. Каждая базовая единица СИ, кроме килограмма, описывается стабильными свойствами Вселенной.

Существует семь базовых единиц, которые перечислены в Таблице 1.2. В химии в основном используются пять основных единиц: моль для количества, килограмм для массы, метр для длины, второй для времени и кельвин для температуры.Градус Цельсия ( ^o C) также обычно используется для измерения температуры. Числовое соотношение между градусами Кельвина и градусами Цельсия выглядит следующим образом:

К =

Размер каждой базовой единицы определяется международным соглашением. Например, килограмм определяется как масса специального металлического цилиндра, хранящегося в хранилище во Франции (рис. 1.8). Другие базовые единицы имеют аналогичные определения. Размеры базовых блоков не всегда удобны для всех измерений.Например, метр — довольно большая единица измерения ширины чего-то столь узкого, как человеческий волос. Вместо того, чтобы сообщать о диаметре волос как 0,00012 м или даже 1,2 × 10 ^-4 м, SI также предоставляет серию префиксов, которые могут быть прикреплены к единицам измерения, создавая единицы, которые больше или меньше по степени 10, известные как метрическая система.

Рисунок 1.8 Килограмм. Стандарт килограмма — платино-иридиевый цилиндр, хранящийся в особом хранилище во Франции.Источник: Wikimedea (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:National_prototype_kilogram_K20_replica.jpg)

Общие префиксы и их мультипликативные коэффициенты перечислены в Таблице 1.3 «Префиксы, используемые с единицами SI». (Возможно, вы уже заметили, что основная единица измерения килограмм представляет собой комбинацию префикса килограмм, означающего 1000 ×, и единицы массы, грамма.) Некоторые префиксы образуют кратную исходной единице: 1 килограмм равен 1000 граммов ( или 1 кг = 1 000 г), а 1 мегаметр равен 1 000 000 метров (или 1 Мм = 1 000 000 м).Другие префиксы составляют часть исходной единицы. Таким образом, 1 сантиметр равен 1/100 метра, 1 миллиметр равен 1/1000 метра, 1 микрограмм равен 1/1000000 грамма и так далее.

Масса

Основной единицей массы в Международной системе единиц является килограмм. Килограмм равен 1000 граммам. Грамм — это относительно небольшое количество массы, поэтому большие массы часто выражаются в килограммах. Когда измеряются очень крошечные количества вещества, мы часто используем миллиграммы, которые равны 0.001 грамм. Есть множество больших, меньших и средних единиц массы, которые также могут быть подходящими. В конце 18 века килограмм был массой литра воды. В 1889 году из платино-иридиевого сплава был изготовлен новый международный прототип килограмма. Килограмм равен массе этого международного прототипа, который хранится в Париже, Франция.

Масса и вес — это не одно и то же. Хотя мы часто используем термины масса и вес как синонимы, у каждого из них есть свое определение и использование.Масса объекта — это мера количества вещества в нем. Масса (количество вещества) объекта остается неизменной независимо от того, где он находится. Например, перемещение кирпича на Луну не приводит к исчезновению или удалению какой-либо находящейся в нем материи.

Вес объекта определяется силой гравитации. Вес равен массе объекта, умноженной на местное ускорение свободного падения. Таким образом, на Земле вес определяется силой притяжения между объектом и Землей.Поскольку сила тяжести неодинакова в каждой точке поверхности Земли, вес объекта не постоянен. Гравитационное притяжение объекта меняется в зависимости от его положения относительно Земли или другого объекта, создающего гравитацию. Например, человек, который весит 180 фунтов на Земле, весил бы всего 45 фунтов, если бы он находился в неподвижном положении на высоте 4000 миль над поверхностью Земли. Этот же человек весил бы на Луне всего 30 фунтов, потому что гравитация Луны составляет лишь одну шестую гравитации Земли.Однако масса этого человека будет одинаковой в каждой ситуации. Для научных экспериментов важно измерять массу вещества, а не вес, чтобы сохранить согласованность результатов независимо от того, где вы проводите эксперимент.

Единица измерения длины в системе СИ — метр. В 1889 году измеритель представлял собой слиток из платино-иридиевого сплава, хранившийся в условиях, установленных Международным бюро стандартов.В 1960 году это определение стандартного измерителя было заменено определением, основанным на длине волны излучения криптона-86. В 1983 году это определение было заменено следующим: метр — это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени в секунду.

В научном контексте слова тепло и температура НЕ означают одно и то же. Температура представляет собой среднюю кинетическую энергию частиц, составляющих материал.Повышение температуры материала увеличивает его тепловую энергию. Тепловая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит материал. Предметы не «содержат» тепло; скорее они содержат тепловую энергию. Тепло — это движение тепловой энергии от более теплого объекта к более холодному. Когда тепловая энергия переходит от одного объекта к другому, температура обоих объектов изменяется.

Термометр — это прибор, измеряющий температуру. Название состоит из слова «термо», что означает тепло, и «метр», что означает измерение.Температура вещества прямо пропорциональна средней кинетической энергии, которую оно содержит. Чтобы средняя кинетическая энергия и температура вещества были прямо пропорциональны, необходимо, чтобы при нулевой температуре средняя кинетическая энергия также была равна нулю. Это было необходимо для использования в расчетах в науке для третьей шкалы температур, в которой ноль градусов соответствует нулевой кинетической энергии, то есть точке, в которой молекулы перестают двигаться. Эта температурная шкала была разработана лордом Кельвином.Лорд Кельвин заявил, что не существует верхнего предела того, насколько горячими могут быть вещи, но есть предел того, насколько холодными могут быть вещи. В 1848 году Уильям лорд Кельвин разработал идею абсолютного нуля, то есть температуры, при которой молекулы перестают двигаться и, следовательно, имеют нулевую кинетическую энергию. Это известно как температурная шкала Кельвина.

Шкала Цельсия основана на температуре замерзания и кипения воды. Таким образом, 0 ^o C — это точка замерзания воды, а 100 ^o C — температура кипения воды.Большинство из нас знакомы с температурами ниже точки замерзания воды. Должно быть очевидно, что даже несмотря на то, что температура воздуха может составлять -5 ^o C, молекулы воздуха все еще движутся (т.е. 0 ^o C не является абсолютным нулем). Такие вещества, как газообразный кислород и газообразный азот, уже расплавились и превратились в пар при температурах ниже -150 ^o C.

Шкала Фаренгейта также определяется точкой замерзания и температурой кипения воды. Однако шкала отличается от шкалы Кельвина и Цельсия.По шкале Фаренгейта точка замерзания воды составляет 32 ^o F, а точка кипения воды составляет 212 ^o F. Для преобразования шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия можно использовать следующие преобразования:

[

Температурная шкала Кельвина имеет нулевое значение при абсолютном нуле (определено как -273,15 ^o C) и использует ту же шкалу градусов, что и шкала Цельсия.Следовательно, математическая связь между шкалой Цельсия и шкалой Кельвина составляет

К =

В случае шкалы Кельвина знак градуса не используется. Температуры выражаются просто как 450 К и всегда положительны.

Единицей измерения времени в системе СИ является секунда. Второй изначально определялся как крошечная часть времени, необходимого Земле для обращения вокруг Солнца. С тех пор его определение несколько раз менялось.Определение секунды (установленное в 1967 году и подтвержденное в 1997 году): продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Химики используют термин «моль» для обозначения большого количества атомов или молекул. Подобно тому, как дюжина подразумевает 12 вещей, моль (моль) представляет 6,022 × 10 ²³ единиц. Число 6,022 × 10 ²³ , названное числом Авогадро в честь химика XIX века Амедео Авогадро, — это число, которое мы используем в химии для обозначения макроскопических количеств атомов и молекул.Таким образом, если у нас есть 6,022 × 10 ²³ атомов кислорода, мы говорим, что у нас есть 1 моль атомов кислорода. Если у нас есть 2 моля атомов Na, у нас будет 2 × (6,022 × 10 ²³ ) атомов Na, или 1,2044 × 10 ²⁴ атомов Na. Аналогично, если у нас есть 0,5 моль молекул бензола (C ₆ H ₆ ), мы имеем 0,5 × (6,022 × 10 _²³ ) C ₆ H ₆ молекул, или 3,011 × 10 ²³ C ₆ H ₆ молекул.

Производные единицы представляют собой комбинации базовых единиц СИ.Единицы можно умножать и делить, так же как числа можно умножать и делить. Например, площадь квадрата со стороной 2 см составляет 2 см × 2 см или 4 см2 (читается как «четыре сантиметра в квадрате» или «четыре квадратных сантиметра»). Обратите внимание, что мы возведем в квадрат единицу длины, сантиметр, чтобы получить производную единицу площади, квадратный сантиметр.

Объем — важная величина, в которой используется производная единица. Объем — это количество пространства, которое занимает данное вещество, геометрически определяемое как длина × ширина × высота.Каждое расстояние может быть выражено в единицах измерения, поэтому объем имеет производную единицу m × m × m или m ³ (читается как «кубические метры» или «кубические метры»). Кубический метр — это довольно большой объем, поэтому ученые обычно выражают объемы в единицах 1/1000 кубического метра. У этой единицы есть собственное название — литр (L). Литр немного больше 1 кварты США по объему. (Таблица 1.4) дает приблизительные эквиваленты для некоторых единиц, используемых в химии.) Как показано на Рисунке 1.9 «Литр», литр также равен 1 000 см ³ .По определению, в 1 л содержится 1000 мл, поэтому 1 миллилитр и 1 кубический сантиметр представляют один и тот же объем.

Рисунок 1.9: Литр. Литр — это куб со стороной 10 см (1/10 метра). Миллилитр, 1/1000 литра, равен 1 кубическому сантиметру (1 см ³ ).

Энергия, еще одна важная величина в химии, — это способность выполнять работу.Например, перемещение коробки с книгами из одной стороны комнаты в другую требует энергии. Производная единица: кг · м ² / с ² . (Точка между килограммами и м ² единиц означает, что единицы умножаются вместе, а затем весь член делится на s ² .) Поскольку эта комбинация громоздка, эта совокупность единиц переопределяется как джоуль (Дж). , которая является единицей измерения энергии в системе СИ. Также широко используется более старая единица энергии — калория (cal). Всего:

4.184 Дж = 1 ккал

Обратите внимание, что это отличается от нашего обычного использования больших «калорий» или «кал», указанных на пищевых упаковках в США. Большой «Cal» на самом деле является килокалорией или ккал (рис. 1.10). Обратите внимание, что все химические процессы или реакции происходят с одновременным изменением энергии, и эта энергия может храниться в химических связях.

Рисунок 1.10: Разница между килокалориями в научном и обычном использовании . Калории, представленные на упаковке пищевых продуктов, на самом деле относятся к килокалориям с научной точки зрения.

Плотность определяется как масса объекта, деленная на его объем; он описывает количество вещества, содержащегося в данном объеме пространства.

Таким образом, единицы плотности — это единицы массы, разделенные на единицы объема: г / см3 или г / мл (для твердых и жидких веществ соответственно), г / л (для газов), кг / м3 и т. Д. . Например, плотность воды составляет около 1,00 г / мл, а плотность ртути — 13.6 г / мл. Ртуть более чем в 13 раз плотнее воды, а это означает, что она содержит в 13 раз больше вещества в том же объеме пространства. Плотность воздуха при комнатной температуре около 1,3 г / л.

Важно отметить различную терминологию, которую мы используем, когда говорим в науке. Один из таких наборов терминов — точность и аккуратность. Хотя в ненаучном сообществе термин «точность» и «аккуратность» часто используются как взаимозаменяемые, чрезвычайно важно понимать разницу между этими терминами.Точность говорит вам, насколько близки два измерения друг к другу, а точность говорит вам, насколько близко измерение к известному значению. Измерение может быть точным, но не точным, или точным, но неточным; эти два термина НЕ связаны. Хорошую аналогию можно найти в игре в дартс (рис. 1.11). Игрок, который всегда попадает в одно и то же место слева от доски для дротика, будет точным, но не очень точным. Однако игрок в дартс, который находится по всей доске, но в среднем попадает в центр доски, будет точным, но не точным.Хороший игрок в дартс, как и хороший ученый, хочет быть точным и аккуратным.

Рисунок 1.11: Разница между точностью и точностью. С помощью игры в дартс можно показать разницу между точностью и точностью.

По материалам: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5d/Reliability_and_validity.svg/717px-Reliability_and_validity.svg.png

Обычно в лаборатории точность — это мера того, насколько хорошо откалибровано ваше оборудование.Например, если ваши весы откалиброваны правильно, вы можете проводить очень точные, повторяющиеся измерения, но измерения не будут отражать истинное значение. С другой стороны, точность обычно определяется тем, насколько осторожен ученый при проведении измерений. Если вы проявите неосторожность и пролили часть образца по пути, ваши измерения в повторных экспериментах не будут точными, даже если ваши весы будут точными.

Важно понимать, что значения в научных измерениях никогда не бывают точными на 100%.Наши инструменты измеряют только с определенной степенью точности. Таким образом, мы можем выбрать разные инструменты для измерения в зависимости от уровня точности, который нам нужен для эксперимента. Из-за присущей неточности любого измеряемого числа мы должны отслеживать различные уровни точности каждого числа со значащими цифрами. Под значащими цифрами измеряемой величины понимаются все достоверно известные цифры и первая неопределенная или оценочная цифра. Нет смысла сообщать какие-либо цифры после первой неопределенной, поэтому это последняя цифра, указанная в измерении.Нули используются, когда необходимо разместить значащие цифры на их правильных позициях. Таким образом, нули могут быть значащими цифрами, а могут и не быть. Значимые цифры применимы в реальном мире, поскольку они позволяют количественно оценить точность любого типа измерения. Чтобы определить, сколько чисел в измерении имеет значение, вы можете следовать осторожному набору правил, показанных ниже и справа.

Рисунок 1.12: Измерение объекта по правильному количеству значащих цифр.
Сколько цифр должно быть показано в этом измерении?

Правильный ответ — 3! Два, которые вы знаете наверняка + предполагаемое положение… для этого значения оно будет близко к 1.37

Точные числа — это числа, которые не измеряются научными приборами. Они либо используются в качестве определений для определения понятия или терминологии, либо создаются путем подсчета всего чего-то присутствующего. Примером точного числа может быть количество яиц в коробке или определенная единица измерения, например, 100 см на 1 м. Точные числа, такие как количество людей в комнате, НЕ влияют на количество значащих цифр в расчетах, сделанных с измеренными значениями.

В научных операциях правила округления могут немного отличаться от тех, к которым вы привыкли. Обычные правила округления предполагают, что если число 4 или меньше, оно должно быть округлено до меньшего числа, тогда как если оно 5 или больше, оно должно быть округлено в большую сторону. Однако обратите внимание, что 5 находится прямо посередине и вызывает проблемы при использовании этих обычных правил округления. Если у вас есть большой набор данных чисел, который вам нужно округлить, использование этого правила округления приведет к смещению в вашем наборе данных (т.е. 4/9 времени вы будете округлять в меньшую сторону, и 5/9 времени вы будете округлять в большую сторону). В большом наборе данных такое смещение недопустимо.

В научном округлении мы обычно используем правило, называемое «Округление до четного». В этой системе округления правила одинаковы для 4 и ниже, вы округляете до меньшего числа, а для 6 и выше вы округляете до большее число. Однако, если число, которое вы округляете, равно 5, вы округляете до четного числа. Это помогает уменьшить смещение выборки, которое может возникнуть при округлении больших наборов данных.

Прежде чем выполнять какие-либо научные вычисления, необходимо осознать, что все измеряемые числа хороши ровно настолько, насколько хорош инструмент, используемый для их измерения. Даже с использованием самого лучшего доступного инструмента измеренное число никогда не будет точным на 100%. Ученые используют правило «достаточно хорошей» точности, означающее, что мы допускаем некоторую погрешность, присущую каждому измерению, которое мы делаем, до тех пор, пока конечный результат достаточно близок к желаемому.Эта концепция становится опасной, когда мы начинаем использовать эти «достаточно хорошие» числа для любых расчетов, если мы не будем внимательно следить за нашими значащими цифрами, наши числа могут быстро потерять свой «достаточно хороший» статус. Чтобы защитить свои «достаточно хорошие» числа, научное сообщество установило определенные правила для выполнения любых расчетов; в этом разделе нам нужно уделить внимание только двум очень важным правилам: правилу сложения / вычитания и правилу умножения / деления.

1. Найдите число с наименьшим количеством десятичных знаков и отслеживайте количество десятичных знаков
2. Выполните сложение / вычитание
3. Округлите окончательный ответ до наименьшего числа десятичных знаков, найденных на этапе 1.

1. Подсчитайте количество значащих цифр в каждом числе (отслеживайте количество значащих цифр)
2. Выполните умножение / деление
3. Округлите окончательный ответ до наименьшего числа значащих цифр, найденных на этапе 1

1. Используя порядок операций, разбейте проблему на несколько этапов
2. Выполните любые шаги сложения / вычитания в соответствии с правилом сложения / вычитания (пока не округляйте, просто отслеживайте правильное количество десятичных знаков при нахождении числа значащих цифр)
3. Выполните умножение / деление по правилу умножения / деления
4. Округлите окончательный ответ до правильного числа значащих цифр

Умение конвертировать из одного юнита в другой — важный навык.Например, медсестра с таблетками аспирина 50 мг, которая должна дать пациенту 0,2 г аспирина, должна знать, что 0,2 г равняется 200 мг, поэтому необходимо 4 таблетки. К счастью, есть простой способ преобразовать одну единицу в другую.

Если вы выучили единицы СИ и префиксы, описанные в разделе 1.4 «Единицы измерения», то вы знаете, что 1 см составляет 1/100 метра или:

Предположим, мы делим обе части уравнения на 1 м (как число, так и единицу; обратите внимание, что критически важно всегда записывать свои единицы! Это позволяет избежать путаницы и ошибок при преобразовании.):

Пока мы выполняем одну и ту же операцию с обеими сторонами знака равенства, выражение остается равенством. Посмотрите на правую часть уравнения; теперь у него такое же количество в числителе (вверху), что и в знаменателе (внизу). Любая дробь, имеющая одинаковое количество в числителе и знаменателе, имеет значение 1:

Мы знаем, что 100 см — это 1 м, поэтому у нас одинаковое количество сверху и снизу нашей дроби, хотя оно выражается в разных единицах.Дробь, у которой в числителе и знаменателе есть эквивалентные величины, но выраженные в разных единицах, называется коэффициентом преобразования

Обратите внимание, что коэффициенты преобразования могут быть записаны с использованием любого члена в числителе или знаменателе и использоваться в зависимости от проблемы, которую вы хотите решить. Это потому, что оба члена равны 1

Вот простой пример. Сколько сантиметров в 3.55 м? Возможно, вы сможете определить ответ в уме. Если в каждом метре 100 см, то 3,55 м равняется 355 см. Чтобы решить проблему более формально с коэффициентом преобразования, мы сначала записываем заданное нам количество, 3,55 м. Затем мы умножаем это количество на коэффициент преобразования, который совпадает с умножением на 1. Мы можем записать 1 как 100 см / 1 м и умножить:

Поскольку m, сокращение от метров, встречается как в числителе, так и в знаменателе нашего выражения, они сокращаются.Последний шаг — выполнить расчет, который остается после отмены единиц. Обратите внимание, что КРИТИЧНО сохранить правильные единицы в окончательном ответе, иначе это не будет иметь смысла. Обобщенное описание этого процесса выглядит следующим образом:

Вам может быть интересно, почему мы используем кажущуюся сложной процедуру прямого преобразования. В более поздних исследованиях проблемы преобразования, с которыми вы столкнетесь, не всегда будут такими простыми.Если вы овладеете техникой применения коэффициентов пересчета, вы сможете решить большое количество разнообразных задач.
В предыдущем примере мы использовали дробь 100 см / 1 м в качестве коэффициента преобразования. Равен ли коэффициент преобразования 1 м / 100 см также 1? Да, это так; у него такое же количество в числителе, что и в знаменателе (за исключением того, что они переворачиваются). Почему мы не использовали этот коэффициент преобразования? Если бы мы использовали второй коэффициент преобразования, исходная единица не была бы отменена, и результат был бы бессмысленным.Вот что мы получили бы:

НЕПРАВИЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ !!

Вы можете видеть, что ни одна из единиц не отменена. Чтобы ответ был осмысленным, мы должны построить коэффициент преобразования в форме, которая приведет к отмене исходной единицы. На рис. 1.13 «Концептуальная карта конверсий» показана концептуальная карта для построения правильного преобразования.

Рис. 1.13. Концептуальная карта конверсий. Вот как вы создаете коэффициент преобразования для преобразования одной единицы в другую.

(Вернуться к началу)

Материалы Главы 1 были адаптированы и изменены из следующих ресурсов Creative Commons, если не указано иное:
1. Анонимно. (2012) Введение в химию: общие, органические и биологические (V1.0). Опубликовано по лицензии Creative Commons by-NC-sa 3.0. Доступно по адресу: http://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/index.html
2. Поульсен, Т. (2010) Введение в химию. Опубликовано по лицензии Creative Commons by-NC-sa 3.0. Доступно по адресу: http://openedgroup.org/books/Chemistry.pdf
3. OpenStax (2015) Атомы, изотопы, ионы и молекулы: строительные блоки. OpenStax CNX. Доступно по адресу: http://cnx.org/contents/be8818d0-2dba-4bf3-859a-737c25fb2c99@12.

лучших практик для обучения математике уникальных учащихся: примеры и строительные леса

Иногда путаница возникает из-за того, что учитель не представил конкретную проблему в учебных примерах. В других случаях ученику не хватает предварительных навыков, необходимых для решения проблемы. Когда ученики застревают, некоторые предпочитают копаться и практиковать метод проб и ошибок. Остальные просто догадываются, либо перестают работать и берут за задание незавершенное.

Каждый учитель понимает, что трудный выбор требует ограниченного учебного времени.

Всегда есть компромиссы.В классе, полном уникальных учеников, следует ли вам уделять первоочередное внимание потребностям учеников с наиболее значительными академическими пробелами и заново преподавать навыки двух классов назад? Более сбалансированный подход мог бы заключаться в обучении цели «среднему». Некоторые посоветуют, что разумнее всего сосредоточить свое внимание на более успешных учениках, а остальные оправдают ваши ожидания. Но как насчет тех, чей родной язык не английский, и других с поведенческими потребностями?

При планировании нового урока нужно подумать о многом!

Предложите несколько примеров строительных лесов

Один из самых полезных способов для учителей математики сосредоточить свое время на планирование — это тщательно продумать учебные примеры, которые они будут использовать.В литературе по эффективному обучению особо подчеркивается отбор примеров. Лучшая практика для обучения математике — выбрать несколько примеров, которые стратегически построены на , чтобы охватить диапазон типов задач. Основная идея здесь состоит в том, чтобы познакомить учащихся со многими различными вариациями конкретной концепции, одновременно устанавливая для них явные связи об общих чертах, которые связывают эти вариации вместе. Исследования показывают, что учащиеся с ограниченными возможностями обучения или с трудностями в изучении математики получают большую пользу от подробного обучения.

Серия примеров может переходить от конкретного к абстрактному, от простого к сложному или от простого к сложному. Цель состоит в том, чтобы начать с примера, который доступен всем учащимся . Некоторые концепции, такие как дроби и алгебраические уравнения, легче поддаются использованию манипуляций и / или графических представлений, прежде чем перейти к более абстрактным примерам. Использование каркасов для последовательности примеров особенно важно, когда учащиеся осваивают новые процедурные навыки (по сравнению, например, с тем, когда учащиеся готовятся к тесту).Когда они видят, как решать задачи от простых до сложных, учащиеся лучше могут применить полученные навыки в новых ситуациях.

Применение известных навыков в новых ситуациях обычно бывает особенно трудным для людей с ограниченными возможностями обучения. Приведение нескольких примеров — отличный способ явно научить студентов, как это делать.

Давайте посмотрим, как создавать учебные примеры при обучении решению уравнений.

Примеры алгебры строительных лесов

Решение линейных уравнений — критически важный стандарт, лежащий в основе алгебры.Умение плавно решать уравнения — необходимый строительный блок для большей части работы в области продвинутой математики. Это также огромный набор навыков, который нужно освоить. Решение уравнений — это составление десятков более мелких целей, которые основываются друг на друге. Студенты должны научиться распознавать уникальную природу каждого из этих типов уравнений и применять соответствующие правила для их решения:

• Линейные уравнения с одной переменной
  x + 3 = 9
• Линейные уравнения с переменной с обеих сторон
  4x + 2 = 8x
• Линейные уравнения в скобках
  7 (x — 3) = 42
• Линейные уравнения с дробями и десятичными знаками
  ½x + 2 = -4
• Линейные уравнения с нулем, одним или несколькими решениями
  -7x + 3 = 2x + 2 — 9x
• Линейные уравнения с неизвестными коэффициентами
  a (8 — x) = bx — 2

Если вы начинаете планировать свои примеры для урока в своем модуле линейных уравнений, помните, что учебных примеров должны быть построены в рамках одной цели .Не пытайтесь «строить леса», чтобы показать примеры будущих целей в качестве расширения или обогащения. Студентам также потребуются подробные инструкции по этой будущей цели. Если некоторые из них готовы к обогащению, лучше предложить задачу продления в рамках дневной цели.

Поддержка учащихся с тяжелыми формами инвалидности

Некоторым учащимся с умственной отсталостью от умеренной до тяжелой или значительными нарушениями обучаемости потребуется «опущенная» или модифицированная цель, чтобы сделать обучение доступным.В этом случае учителя могут сосредоточиться на первом уровне этого навыка — решении линейных уравнений с одной переменной. Для достижения этой цели учителя могут создавать учебные примеры, обучая или повторно обучая этим навыкам:

• Сложение одной цифры
• Вычитание одной цифры
• Обозначение рабочих символов
• Определение переменных и констант

Учащимся будут полезны рабочие листы по математике, которые визуально просты — много пустого пространства, очень мало текста и всего несколько задач на странице.Используйте маркер или цветной шрифт, чтобы помочь им отличить переменную от констант, и укажите поля или линии, чтобы указать ученикам, где писать. Предложите учащимся любые инструменты, которые могут понадобиться для точного сложения или вычитания — калькуляторы или счетные фишки могут подойти. Снова и снова представляйте один и тот же тип проблемы, чтобы закрепить новый навык.

Работа с разными группами студентов

Вот еще один способ создания учебных примеров. В этом наборе задач учитель представляет, как решать линейные уравнения в круглых скобках:

Разминка или быстрый просмотр

Студенты могут выполнять несколько задач с необходимыми навыками для достижения цели дня (свойство распределения и решение уравнений со всеми четырьмя операциями).
7 (x — 3)
8 (4x + 2)
x — 3 = 8

Пример 1

Решение линейных уравнений в скобках.

• Только положительные целые числа
• Одна переменная; в левой части уравнения
• Без объединения похожих терминов

7 (x — 3) = 42

Пример 2

Решение линейных уравнений в скобках.

• Только положительные целые числа
• Одна переменная
• Без объединения похожих терминов

4 (8 — x) = 2x

Пример 3

Решение линейных уравнений в скобках.

5x — 3x + 2 (x — 1) = 7

Пример 4

Решение линейных уравнений в скобках.

-5 (х — 10) = 35

Пример 5

Решение линейных уравнений в скобках.

½x + 2 = -4

Когда учителя предлагают широкий спектр примеров задач, учащиеся с гораздо большей вероятностью успешно применит свои новые навыки к широкому кругу типов проблем и реальных жизненных ситуаций.

От развития базовых навыков до представления более сложных концепций — вы найдете поддержку и руководства, которые помогут вам сосредоточиться на овладении концепциями.

Охватывая гибкость

Вкратце об идее

Проблема

Гибкие методы, такие как scrum, kanban, и бережливое производство , распространяются за пределы ИТ на другие функции.Хотя некоторые компании добиваются значительных улучшений в производительности, скорости вывода на рынок и удовлетворенности клиентов и сотрудников, другие испытывают трудности.

Основная причина

Лидеры не понимают Agile. В результате они невольно продолжают использовать традиционные методы управления, которые подрывают гибкие проекты.

Решение

Изучите основы гибкой разработки. Разберитесь в условиях, в которых он работает или не работает. Начните с малого и дайте ему распространиться органически.Разрешите «мастерам» настраивать его. Используйте Agile на вершине. Разрушьте препятствия на пути к гибкому поведению.

Гибкие методы инноваций произвели революцию в информационных технологиях. За последние 25–30 лет они значительно повысили показатели успеха в разработке программного обеспечения, улучшили качество и скорость вывода на рынок, а также повысили мотивацию и производительность ИТ-команд.

Сейчас гибкие методологии, включающие новые ценности, принципы, практики и преимущества и являющиеся радикальной альтернативой командно-административному управлению, распространяются в широком диапазоне отраслей и функций и даже в топ-менеджеры.Национальное общественное радио использует гибкие методы для создания новых программ. John Deere использует их для разработки новых машин, а Saab — для производства новых истребителей. Intronis, лидер в сфере облачных сервисов резервного копирования, использует их в маркетинге. C.H. Робинсон, глобальный сторонний поставщик логистических услуг, применяет их в человеческих ресурсах. Винодельня Mission Bell использует их для всего: от производства вина до складирования и управления группой высшего руководства. И GE полагается на них, чтобы ускорить широко разрекламированный переход от конгломерата 20-го века к «цифровой промышленной компании 21-го века».«Вынимая людей из их функциональной разрозненности и помещая их в самоуправляемые и ориентированные на клиента междисциплинарные команды, гибкий подход не только ускоряет прибыльный рост, но и помогает создать новое поколение квалифицированных генеральных менеджеров.

Распространение гибкости открывает интригующие возможности. Что, если бы компания могла добиться положительной прибыли, увеличив на 50% внедрение новых продуктов? Что, если бы маркетинговые программы могли генерировать на 40% больше запросов клиентов? Что, если бы человеческие ресурсы могли набрать на 60% больше своих приоритетных задач? Что, если бы вдвое больше рабочих было эмоционально вовлечено в свою работу? Agile привнесла такие улучшения в ИТ.Возможности в других частях компании значительны.

Но есть серьезное препятствие. Когда мы спрашиваем руководителей, что они знают об Agile, обычно мы отвечаем неловкой улыбкой и шуткой вроде «Достаточно, чтобы быть опасным». Они могут использовать термины, связанные с agile («спринты», «временные рамки»), и заявлять, что их компании становятся все более и более гибкими. Но поскольку они не прошли обучение, они не совсем понимают подход. Следовательно, они невольно продолжают управлять способами, которые противоречат принципам и практикам гибкой разработки, что подрывает эффективность гибких команд в подразделениях, которые им подчиняются.

Эти руководители запускают бесчисленные инициативы со срочными сроками, вместо того, чтобы уделять первоочередное внимание двум или трем. Они распространяют себя и своих лучших людей на слишком много проектов. Они планируют частые встречи с членами agile-команд, вынуждая их пропускать рабочие сессии или присылать замену. Многие из них чрезмерно вовлекаются в работу отдельных команд. Они больше говорят, чем слушают. Они продвигают маргинальные идеи, которые команда ранее рассматривала и отбрасывала.Они регулярно отменяют решения команды и добавляют уровни проверки и средства контроля, чтобы ошибки не повторялись. Из самых лучших побуждений они сводят на нет те преимущества, которые могут принести гибкие инновации.

Дополнительная литература

Инновации — вот в чем суть Agile. Хотя этот метод менее полезен в рутинных операциях и процессах, в наши дни большинство компаний работают в очень динамичных средах. Им нужны не только новые продукты и услуги, но и инновации в функциональных процессах, особенно с учетом быстрого распространения новых программных инструментов.Компании, которые создают среду, в которой процветает гибкая разработка, обнаруживают, что команды могут быстрее производить инновации в обеих этих категориях.

В ходе нашей работы по консультированию и изучению таких компаний мы выделили шесть важнейших практик, которые следует применять лидерам, если они хотят извлечь выгоду из гибкого потенциала.

1. Узнайте, как на самом деле работает Agile

Некоторые руководители, кажется, ассоциируют agile с анархией (каждый делает то, что хочет), тогда как другие считают, что это означает «делать то, что я говорю, только быстрее».«Но Agile не является ни тем, ни другим. (См. Врезку «Ценности и принципы Agile».) Он бывает нескольких разновидностей, которые имеют много общего, но подчеркивают несколько разные вещи. Они включают схватки, , которые подчеркивают творческую и адаптивную командную работу при решении сложных проблем; бережливое развитие, фокусируется на постоянном устранении отходов; и канбан, , которые сосредоточены на сокращении времени выполнения заказа и объема незавершенной работы. Один из нас (Джефф Сазерленд) помог разработать методологию схватки, и на это его частично вдохновила «Игра по разработке новых продуктов», статья HBR 1986 года, соавтором которой стал другой из нас (Хиротака Такеучи).Поскольку scrum и его производные используются как минимум в пять раз чаще, чем другие методы, мы будем использовать его методологии для иллюстрации гибких практик.

Существует как минимум дюжина методологий гибких инноваций, которые разделяют ценности и принципы, но различаются по акцентам. Специалисты часто сочетают разные подходы. Вот три из самых популярных форм и контекстов, в которых каждая работает лучше всего.

Основы схватки относительно просты. Чтобы воспользоваться возможностью, организация формирует и наделяет полномочиями небольшую команду, обычно от трех до девяти человек, большинство из которых работают на полную ставку. Команда кросс-функциональна и включает в себя все навыки, необходимые для выполнения поставленных задач. Он управляет собой и несет строгую ответственность за каждый аспект работы.

«Инициативный владелец» команды (также известный как владелец продукта) несет полную ответственность за предоставление ценности клиентам (включая внутренних клиентов и будущих пользователей) и бизнесу. Человек в этой роли обычно приходит из бизнес-подразделения и делит свое время между работой с командой и координацией с ключевыми заинтересованными сторонами: клиентами, руководителями высшего звена и бизнес-менеджерами. Владелец инициативы может использовать такие методы, как дизайн-мышление или краудсорсинг, для создания всеобъемлющего «портфеля портфолио» многообещающих возможностей.Затем он или она постоянно и безжалостно ранжирует этот список в соответствии с последними оценками ценности для внутренних или внешних клиентов и компании.

Владелец инициативы не сообщает команде, кто что должен делать и сколько времени займет выполнение задач. Скорее, команда создает простую дорожную карту и подробно планирует только те действия, которые не будут изменены до выполнения. Его члены разбивают задачи с наивысшим рейтингом на небольшие модули, решают, какой объем работы возьмет на себя команда и как ее выполнить, разрабатывают четкое определение «выполнено», а затем начинают создавать рабочие версии продукта в короткие циклы (меньше более месяца), известная как спринтов. Координатор процесса (часто обученный мастер схватки) руководит процессом. Этот человек защищает команду от отвлекающих факторов и помогает задействовать коллективный разум.

Процесс прозрачен для всех. Члены команды проводят короткие ежедневные «стоячие» встречи, чтобы оценить прогресс и выявить препятствия. Они разрешают разногласия с помощью экспериментов и обратной связи, а не бесконечных дебатов или апелляций к властям. Они тестируют небольшие рабочие прототипы части или всего предложения с несколькими клиентами в течение коротких периодов времени.Если клиенты будут в восторге, прототип может быть выпущен немедленно, даже если один из руководителей не является его поклонником или другие считают, что ему нужно больше наворотов. Затем команда обдумывает способы улучшения будущих циклов и готовится атаковать следующий главный приоритет.

По сравнению с традиционными подходами к управлению Agile предлагает ряд основных преимуществ, все из которых были изучены и задокументированы. Это увеличивает продуктивность команды и удовлетворенность сотрудников. Это сводит к минимуму потери, связанные с повторяющимися встречами, повторяющимся планированием, избыточной документацией, дефектами качества и низкими характеристиками продукта.За счет улучшения видимости и постоянной адаптации к меняющимся приоритетам клиентов Agile улучшает взаимодействие с клиентами и их удовлетворенность, быстрее и более предсказуемо выводит на рынок наиболее ценные продукты и функции и снижает риски. Привлекая членов команды из разных дисциплин в качестве коллег, он расширяет организационный опыт и укрепляет взаимное доверие и уважение. Наконец, за счет значительного сокращения времени, затрачиваемого на микроменеджмент функциональных проектов, это позволяет старшим менеджерам более полно посвятить себя более ценной работе, которую могут выполнять только они: создание и корректировка корпоративного видения; приоритезация стратегических инициатив; упрощение и фокусирование работы; назначение нужных людей задачам; усиление межфункционального сотрудничества; и устранение препятствий на пути прогресса.

2. Поймите, где Agile работает, а где нет

Agile — не панацея. Его наиболее эффективно и легко реализовать в условиях, которые обычно встречаются в инновационном программном обеспечении: решаемая проблема является сложной; решения изначально неизвестны, и требования к продукту, скорее всего, изменятся; работа может быть модульной; возможно тесное сотрудничество с конечными пользователями (и быстрая обратная связь от них); а творческие команды обычно превосходят командно-контрольные группы.

По нашему опыту, эти условия существуют для многих функций по разработке продуктов, маркетинговых проектов, деятельности по стратегическому планированию, проблем цепочки поставок и решений по распределению ресурсов. Они реже встречаются в рутинных операциях, таких как техническое обслуживание оборудования, закупки, торговые звонки и бухгалтерский учет. А поскольку Agile требует обучения, изменения поведения и часто новых информационных технологий, руководители должны решить, оправдают ли ожидаемые выгоды усилия и затраты на переход.

Гибкие инновации также зависят от наличия кадра активных участников.Один из ее основных принципов — «Создавайте проекты вокруг мотивированных людей. Обеспечьте им среду и поддержку, в которых они нуждаются, и доверьте им выполнение работы ». Когда большая часть компании, подразделения или команды предпочитает применять гибкие методологии, лидерам может потребоваться оказать давление на противников, чтобы последовать их примеру или даже заменить их. Но лучше нанять страстных добровольцев, чем принуждать сопротивляющихся.

OpenView Venture Partners, инвестировавшая около 30 компаний.Узнав об Agile от некоторых компаний, входящих в его портфель, Скотт Максвелл, основатель фирмы, начал использовать ее методологии в самой фирме. Он обнаружил, что они легче подходят для одних занятий, чем для других. Например, Agile хорошо зарекомендовал себя для стратегического планирования и маркетинга, где сложные проблемы часто можно разбить на модули и решить творческими мультидисциплинарными командами. В случае продажи этого не произошло: любой торговый звонок может изменить список дел представителя на месте, и было бы слишком сложно и долго собирать команду продаж, изменять портфель заказов и переназначать учетные записи каждый час. .

Гибкие инновации зависят от количества активных участников.

Maxwell предоставил компаниям, входящим в портфель OpenView, обучение принципам и методам гибкой разработки и позволило им решить, следует ли применять этот подход. Некоторым из них сразу понравилась идея реализовать ее; у других были другие приоритеты, и они решили воздержаться. Интронис был одним из его поклонников. В то время ее маркетинговое подразделение полагалось на годовой план, ориентированный в первую очередь на выставки. Его отдел продаж жаловался, что маркетинг был слишком консервативным и не приносил результатов.Поэтому компания наняла Ричарда Делахайе, веб-разработчика, ставшего маркетологом, для внедрения гибкой разработки. Под его руководством команда маркетинга научилась, например, тому, как проводить тематический вебинар за несколько дней, а не за несколько недель. (Быстро подготовленная сессия по вредоносному ПО CryptoLocker привлекла 600 регистрантов — все еще рекорд компании.) Сегодня члены команды продолжают создавать календари и бюджеты для подразделения цифрового маркетинга, но с гораздо меньшим количеством деталей по позициям и большей гибкостью для случайных разработок.Команда продаж намного счастливее.

3. Начните с малого и пусть слово распространяется

Крупные компании обычно запускают программы изменений как массовые усилия. Но наиболее успешное внедрение гибкой разработки обычно начинается с малого. Часто они начинают с ИТ, где разработчики программного обеспечения, вероятно, знакомы с принципами. Затем Agile может распространиться на другую функцию, когда первые практикующие будут выступать в качестве тренеров. Кажется, что каждый успех создает группу страстных евангелистов, которым не терпится рассказать другим в организации, как хорошо работает Agile.

Принятие и расширение гибкости в John Deere, компании по производству сельскохозяйственного оборудования, является примером. Джордж Томе, инженер-программист, ставший руководителем проекта в корпоративной ИТ-группе Deere, начал в 2004 году скромно применять принципы гибкой разработки. Постепенно, через несколько лет, их начали использовать и подразделения разработки программного обеспечения в других подразделениях Deere. Этот растущий интерес облегчил ознакомление с методологией компаний, занимающихся развитием бизнеса и маркетингом.

В 2012 году Том работал менеджером в отделе корпоративного маркетинга группы исследований и разработок, ответственной за открытие технологий, которые могут революционизировать предложения Deere. Джейсон Брантли, глава подразделения, был обеспокоен тем, что традиционные методы управления проектами замедляют внедрение инноваций, и эти двое решили посмотреть, сможет ли Agile ускорить процесс. Томе пригласил двух других руководителей подразделений на учебные курсы по гибкой методологии. Но вся терминология и примеры были взяты из программного обеспечения, и для одного из менеджеров, не имевшего опыта работы с программным обеспечением, они показались тарабарщиной.Томе понял, что другие отреагируют таким же образом, поэтому он разыскал гибкого коуча, который знал, как работать с людьми, не имеющими опыта работы с программным обеспечением. За последние несколько лет он и тренер тренировали команды во всех пяти центрах группы НИОКР. Томе также начал публиковать еженедельные одностраничные статьи о принципах и практиках гибкой разработки, которые рассылались всем желающим по электронной почте, а затем размещались на сайте Deere Yammer. Сотни сотрудников Deere присоединились к дискуссионной группе. «Я хотел разработать базу знаний об Agile, которая была характерна для Deere, чтобы любой сотрудник организации мог ее понять», — говорит Томе.«Это заложило бы основу для перехода к Agile в любую часть компании».

Используя гибкие методы, Enterprise Advanced Marketing значительно сократил время цикла инновационных проектов — в некоторых случаях более чем на 75%. Одним из примеров является разработка примерно за восемь месяцев рабочего прототипа новой «формы машины», которую компания Deere еще не раскрыла. «Если бы все прошло идеально в рамках традиционного процесса, — говорит Брантли, — то в лучшем случае это заняло бы полтора года, а может и два с половиной или три года.«Agile также привел к другим улучшениям. Вовлеченность команды и счастье в подразделении быстро перешли из нижней трети результатов компании в верхнюю треть. Качество улучшилось. Скорость (измеряемая количеством работы, выполненной в каждом спринте) увеличивалась в среднем более чем на 200%; некоторые команды достигли роста более чем на 400%, а одна команда взлетела на 800%.

Такой успех привлекает внимание. Сегодня, по словам Томе, почти в каждой области в John Deere кто-то либо начинает использовать Agile, либо думает о том, как его можно использовать.

4. Разрешить «мастерским» командам настраивать свои методы работы

японских учеников боевых искусств, особенно изучающих айкидо, часто изучают процесс, называемый шу-ха-ри. В штате шу изучают проверенные дисциплины. Освоив их, они попадают в состояние га и , где разветвляются и начинают изменять традиционные формы. В конце концов они продвигаются к ри, , где они настолько тщательно усвоили законы и принципы, что могут свободно импровизировать по своему усмотрению.

Освоение гибких инноваций аналогично. Прежде чем приступить к модификации или настройке гибкой разработки, человек или команда извлекут выгоду из практики широко используемых методологий, которые принесли успех в тысячах компаний. Например, не следует начинать с распределения по командам на неполный рабочий день или с ротации членства. Эмпирические данные показывают, что стабильные команды на 60% продуктивнее и на 60% быстрее реагируют на запросы клиентов, чем команды, чередующиеся членов.

Дополнительная литература

• Бережливая работа с знаниями

  Управление людьми Характерная черта
  • Брэдли Статс и Дэвид М.Аптон

  Принципы Toyota могут применяться в операциях, требующих экспертизы.

Со временем опытным практикам должно быть разрешено настраивать гибкие методы. Например, один принцип гласит, что команды должны постоянно следить за своим прогрессом и препятствиями. Первоначально самым популярным способом сделать это было вручную перемещать цветные стикеры из столбца «дел» в «делаю» и «готово» на больших белых досках (известных как доски канбан).Многие команды по-прежнему привержены этой практике и с удовольствием посещают свои командные комнаты, не являясь членами команды, чтобы посмотреть и обсудить прогресс. Но другие обращаются к программному обеспечению и компьютерным экранам, чтобы минимизировать время ввода и обеспечить одновременный обмен информацией в нескольких местах.

Ключевой принцип, которым руководствуется этот тип импровизации: если команда хочет изменить определенные методы, она должна экспериментировать и отслеживать результаты, чтобы убедиться, что изменения улучшаются, а не снижают удовлетворенность клиентов, скорость работы и боевой дух команды.

Spotify, компания, занимающаяся потоковой передачей музыки, является примером опытного адаптера. Основанная в 2006 году, компания была гибкой с момента рождения, и вся ее бизнес-модель, от разработки продуктов до маркетинга и общего управления, ориентирована на улучшение качества обслуживания клиентов за счет гибких инноваций. Но высшие руководители больше не диктуют конкретные практики; напротив, они поощряют экспериментирование и гибкость, если изменения согласуются с принципами гибкой разработки и могут улучшить результаты.В результате практика различается в 70 «отрядах» компании (название Spotify для гибких инновационных команд) и ее «отделениях» (термин компании для обозначения функциональных компетенций, таких как разработка пользовательского интерфейса и тестирование качества). Хотя почти каждый отряд состоит из небольшой кросс-функциональной команды и использует ту или иную форму визуального отслеживания прогресса, ранжирования приоритетов, адаптивного планирования и мозговых штурмов о том, как улучшить рабочий процесс, многие команды пропускают диаграммы «сгорания» (которые показывают работу выполненная и оставшаяся работа), которые являются общей чертой гибких команд.Они также не всегда измеряют скорость, ведут отчеты о проделанной работе и не используют одни и те же методы для оценки времени, необходимого для выполнения данной задачи. Эти отряды протестировали свои модификации и обнаружили, что они улучшают результаты.

5. Практикуйте Agile на вершине

Некоторые действия высшего руководства не подходят для гибких методологий. (Рутинные и предсказуемые задачи, такие как оценка производительности, интервью с прессой и посещение заводов, клиентов и поставщиков, попадают в эту категорию.) Но многие и, возможно, самые важные, таковы.Они включают разработку стратегии и распределение ресурсов, культивирование прорывных инноваций и улучшение организационного сотрудничества. Руководители высшего звена, которые объединяются в гибкую команду и учатся применять дисциплину в этой деятельности, достигают далеко идущих преимуществ. Их собственная продуктивность и моральный дух улучшаются. Они говорят на языке команд, над которыми они работают. Они сталкиваются с общими проблемами и учатся их преодолевать. Они распознают и пресекают поведение, мешающее гибким командам.Они учатся упрощать и фокусировать работу. Результаты улучшаются, повышая уверенность и вовлеченность во всей организации.

Ряд компаний перераспределили 25% или более рабочего времени избранных руководителей из функциональной разрозненности в группы гибких руководителей. Эти группы упорядочивают портфели заказов в масштабе предприятия, создают и координируют гибкие команды в других частях организации для решения высших приоритетов и систематически устраняют препятствия на пути к их успеху. Вот три примера C-Suite, которые взяли на себя Agile:

1.Догоняют войска.

Systematic, компания-разработчик программного обеспечения с 525 сотрудниками, начала применять гибкие методологии в 2005 году. Когда они распространились на все команды разработчиков программного обеспечения, Майкл Холм, генеральный директор и соучредитель компании, начал беспокоиться о том, что его руководство мешает прогрессу. «У меня было такое чувство, что я говорил:« Следуй за мной — я за тобой », — сказал он нам. «Команды разработчиков использовали scrum и делали вещи по-другому, в то время как команда менеджеров застряла в том же старомодном стиле» — двигалась слишком медленно и полагалась на слишком много письменных отчетов, которые всегда казались устаревшими.Поэтому в 2010 году Холм решил руководить своей исполнительной группой из девяти человек как гибкой командой.

Команда изменила приоритеты управленческой деятельности, исключив более половины повторяющихся отчетов и преобразовав другие в системы реального времени, одновременно увеличив внимание к критически важным для бизнеса элементам, таким как коммерческие предложения и удовлетворенность клиентов. Группа начинала с встреч каждый понедельник на час или два, но сочла, что скорость принятия решений слишком медленная. Таким образом, он начал проводить ежедневные 20-минутные выступления в 8:40, чтобы обсудить, что члены сделали накануне, что они будут делать в этот день и где им нужна помощь.Совсем недавно старшая команда начала использовать физические доски для отслеживания собственных действий и улучшений, поступающих от бизнес-единиц. Другие функции, включая HR, юриспруденцию, финансы и продажи, теперь работают примерно так же.

2. Ускорение корпоративного перехода.

В 2015 году General Electric провела ребрендинг в «цифровую промышленную компанию» с акцентом на продукты с цифровой поддержкой. Частью преобразования было создание GE Digital, организационного подразделения, в которое входят все более чем 20 000 сотрудников компании, связанных с программным обеспечением.Брэд Сурак, который начал свою карьеру в качестве инженера-программиста, а сейчас является главным операционным директором GE Digital, был хорошо знаком с Agile. Он пилотировал схватку с руководящей группой, отвечающей за разработку промышленных интернет-приложений, а затем, совсем недавно, начал применять ее к процессам управления нового подразделения, таким как операционные обзоры. Сурак является инициативным владельцем, а технический руководитель — мастером схватки. Вместе они определили приоритетные задачи, которые должна решить исполнительная группа, включая упрощение административного процесса, которому команды следуют при приобретении оборудования, и решение сложных вопросов ценообразования для продуктов, требующих участия нескольких предприятий GE.

Члены scrum-команды проводят двухнедельные спринты и трижды в неделю проводят встречи в стойке. Они отмечают свой прогресс на доске в открытом конференц-зале, где это может видеть любой сотрудник. Сурак говорит: «Это снимает загадку с того, что руководители делают каждый день. Наши сотрудники хотят знать, созвучны ли мы тому, что им важно как сотрудникам ». Команда собирает опросы сотрудников, проводит анализ первопричин, препятствующих более эффективной работе, и отчитывается перед людьми во всей организации, говоря (фактически): «Мы вас услышали.Вот как мы будем улучшать ситуацию ». Сурак считает, что это показывает организации, что «руководители работают так же, как инженеры», повышая мотивацию сотрудников и приверженность гибким методам разработки.

3. Объединение отделов и функций по единому видению.

Эрик Мартелла, вице-президент и генеральный менеджер винодельни Mission Bell, производственного предприятия Constellation Brands, представил Agile и помог ему распространиться по всей организации. Руководители каждого отдела выступали в качестве владельцев инициативы в различных гибких командах своих отделов.Эти отдельные команды достигли впечатляющих результатов, но Мартелла беспокоился, что их время тратится слишком мало, а приоритеты отдела и предприятия не всегда совпадают. Он решил объединить руководителей отделов в исполнительную agile-команду, сфокусированную на корпоративных инициативах, которые имеют наибольшую ценность и дают наибольшие возможности для межфункционального сотрудничества, например, увеличение потоков процессов на складе.

Команда отвечает за создание и постоянное уточнение отставания по приоритетам предприятия, гарантируя, что гибкие команды работают над правильными проблемами и имеют достаточные ресурсы.Члены команды также защищают организацию от любимых проектов, которые не заслуживают высокого приоритета. Например, вскоре после того, как Мартелла начал внедрять Agile, он получил электронное письмо от начальника корпоративного офиса Constellation, в котором предлагалось, чтобы винодельня изучило личное увлечение отправителя. Раньше Мартелла мог ответить: «Хорошо, мы прыгнем прямо на это». Вместо этого он ответил, что винодельня следует принципам Agile: идея будет добавлена ​​в список потенциальных возможностей и будет расставлена ​​по приоритетам.Так получилось, что руководителю понравился такой подход — и когда ему сообщили, что его предложению присвоен низкий приоритет, он с готовностью принял это решение.

Scrum «снимает загадку с того, что руководители делают каждый день».

Работа в Agile-командах также может помочь подготовить функциональных менеджеров — которые редко выходят из своей изолированности в сегодняшних сверхспециализированных организациях — к работе в общем менеджменте. Он знакомит их с людьми из других дисциплин, обучает методам совместной работы и подчеркивает важность тесного сотрудничества с клиентами — все это необходимо для будущих лидеров.

6. Разрушьте барьеры для гибкого поведения

Исследование Scrum Alliance, независимой некоммерческой организации, насчитывающей более 400 000 участников, показало, что более 70% практиков Agile сообщают о напряженности между своими командами и остальной частью организации. Неудивительно: они следуют разным дорожным картам и движутся с разной скоростью.

Вот показательный пример: крупная компания, предоставляющая финансовые услуги, которую мы исследовали, запустила пилотный проект по созданию своего следующего мобильного приложения с использованием гибких методологий.Конечно, первым делом нужно было собрать команду. Это потребовало бюджетного запроса для авторизации и финансирования проекта. Запрос вошел в пакет представлений, претендующих на утверждение в процессе следующего годового планирования. После нескольких месяцев обзоров компания наконец одобрила финансирование. В ходе пилотного проекта было создано эффективное приложение, которое хвалили клиенты, а команда гордилась своей работой. Но до того, как приложение было выпущено, оно должно было пройти тестирование уязвимостей в традиционном «водопадном» процессе (длительная последовательность, в которой компьютерный код проверяется на документацию, функциональность, эффективность и стандартизацию), и очередь на этот процесс была длинной. .Затем приложение нужно было интегрировать в основные ИТ-системы, что потребовало еще одного каскадного процесса с затором от шести до девяти месяцев. В конце концов, общее время выпуска улучшилось очень незначительно.

Дополнительная литература

• Расшифровка ДНК производственной системы Toyota

  Управление человеческими ресурсами Статья в журнале
  • Стивен Спир
  • Х. Кент Боуэн

  История Toyota была тщательно исследована и тщательно задокументирована, но то, что на самом деле происходит внутри компании, остается загадкой.Вот новый взгляд на негласные правила, которые дают Toyota ее конкурентное преимущество.

Вот несколько методов для устранения таких препятствий на пути к гибкой разработке:

Получите все на одной странице.

Отдельным командам, занимающимся небольшими частями больших и сложных проблем, необходимо видеть и работать в соответствии с одним и тем же списком корпоративных приоритетов, даже если не все команды, отвечающие за эти приоритеты, используют гибкие процессы. Если новое мобильное приложение является высшим приоритетом для разработки программного обеспечения, оно также должно быть высшим приоритетом при составлении бюджета, тестировании уязвимостей и интеграции программного обеспечения.В противном случае гибкие инновации будут испытывать трудности при внедрении. Это ключевая ответственность управленческой команды, которая сама практикует гибкую разработку.

Не меняйте структуру сразу; вместо этого поменяйте роли.

Многие руководители полагают, что создание большего числа кросс-функциональных команд потребует серьезных изменений в организационной структуре. Это редко бывает правдой. Многофункциональные группы с широкими полномочиями по определению нуждаются в некоторой форме матричного управления, но для этого в первую очередь требуется, чтобы разные дисциплины научились работать вместе одновременно, а не по отдельности и последовательно.

Назовите только одного босса для каждого решения.

У людей может быть несколько боссов, но не у решений. В гибкой операционной модели должно быть предельно ясно, кто отвечает за создание кросс-функциональной команды, выбор и замену членов команды, назначение лидера группы и утверждение решений команды. Группа гибких руководителей часто уполномочивает старшего руководителя выявлять критические проблемы, разрабатывать процессы для их решения и назначать единственного владельца для каждой инновационной инициативы.Другие руководители высшего звена должны избегать сомнений или отмены решений собственника. Давать советы и помощь — это нормально, но если вам не нравятся результаты, смените владельца инициативы — не лишайте его дееспособности.

Сосредоточьтесь на командах, а не на отдельных лицах.

Исследования Центра коллективного интеллекта Массачусетского технологического института и других организаций показывают, что, хотя интеллект людей влияет на работу команды, коллективный интеллект команды еще более важен. К тому же изменить намного легче.Agile-команды используют фасилитаторов процессов для постоянного улучшения своего коллективного интеллекта — например, путем уточнения ролей, обучения методам разрешения конфликтов и обеспечения равного вклада членов команды. Перенос показателей с показателей производительности и использования (насколько заняты люди) на бизнес-результаты и командное счастье (насколько ценны и вовлечены люди) также помогает, как и системы признания и вознаграждения, которые ставят командные результаты выше, чем индивидуальные усилия.

Задавайте вопросы, а не приказы.

Генерал Джордж С. Паттон-младший, как известно, советовал лидерам никогда не говорить людям , как делать что-то: «Скажите им , что делать , и они удивят вас своей изобретательностью». Вместо того, чтобы отдавать приказы, лидеры в гибких организациях учатся направлять с помощью таких вопросов, как «Что вы порекомендуете?» и «Как мы можем это проверить?» Такой стиль управления помогает функциональным экспертам превратиться в генеральных менеджеров, а также помогает корпоративным стратегам и организациям превратиться из разрозненной борьбы за власть и ресурсы в совместные кросс-функциональные команды.

Agile-инновации произвели революцию в индустрии программного обеспечения, которая, возможно, претерпела более быстрые и глубокие изменения, чем любая другая сфера бизнеса за последние 30 лет.