Роль курса физики в экологическом образовании учащихся

раздел ПЕДАГОГИКА и ПСИХОЛОГИЯ

УДК 530

ББК 74.265.1

РОЛЬ КУРСА ФИЗИКИ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ УЧАЩИХСЯ

Зиятдинов Ш.Г., Миркин Б.М.

Реформа системы образования, проводимая в настоящее время в стране, направлена на то, чтобы привести содержание образования в соответствие с современным уровнем научного знания, повысить эффективность всей системы учебновоспитательного процесса и подготовить молодое поколение к труду в условиях научно-технического прогресса. Важную роль в реформе образования играет его экологизация, т. е. включение в школьные программы экологии как науки о закономерностях отношений организмов и условий среды, включая и «главный организм» планеты -человека разумного Homo sapiens.

Целью экологического образования является формирование у учащихся этического отношения к природе и на этой основе чувства гражданской ответственности за состояние природной среды, представлений о диалектическом единстве отношения «биосфера - регион». Любой регион является частью биосферы, его природный комплекс (и хозяйство), влияя на биосферу, сам испытывает влияние биосферных процессов (как природных, так и порожденных негативным влиянием цивилизации - усиления парникового эффекта, разрушения озонового слоя, кислотных дождей и т.д.). В итоге происходит ухудшение демографических показателей, состояния здоровья населения, разрушение биологического

разнообразия.

В 2000 году разработана «Национальная стратегия экологического образования Российской Федерации», где четко определены цели, задачи, принципы, основные направления экологического образования. В «Стратегии» подчеркивается, что Россия нуждается в кадрах, готовых решать проблемы природопользования, охраны окружающей среды. В законе Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» (2002 г.) также оговорена обязательность преподавания экологических знаний в учебных заведениях. Основная роль в экологическом образовании и воспитании отводится средней школе.

В РФ принят так называемый интегрированный вариант экологического образования в общеобразовательной школе: в

учебном плане нет специального предмета «Экология», а экологический материал рассредоточен по ряду учебных дисциплин. В той

или иной мере «экологическую нагрузку» несут все предметы, которые изучает школьник.

Физическая природа экологических феноменов

Дж. Лотон (Lawton, 1999) подчеркнул, что в основе экологии лежат законы физики и химии. С этим нельзя не согласиться, т. к. отношения организмов и среды сплошь и рядом осуществляются через физические факторы. Еще больше «физики» в последствиях влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду.

Содержание экологической составляющей курса физики охватывает следующий круг проблем:

- основные физические факторы природной среды (почвы, воды, атмосферы), их физические свойства (давление, температура, абсолютная и относительная влажность, электромагнитные поля, оптические характеристики, радиация и др.). Роль физических факторов в химических, биологических процессах, протекающих в различных экосистемах;

- энергетика биологических и технических

систем (промышленных, сельскохозяйственных и др.), анализ структуры современной энергетики, роль поиска альтернативных неисчерпаемых источников энергии, возможности

энергосбережения;

- влияние загрязнения окружающей среды

(физического, химического, твердыми

промышленными и бытовыми отходами) на биологические системы (организмы, популяции, экосистемы), в первую очередь на человека;

- допустимые нормы воздействия физических факторов естественного и искусственного происхождения на объекты биосферы и на человека, которые изучаются на уроке физики;

- экологизация технологических объектов и

производств (безотходные технологии,

использующие различные физические процессы и позволяющие существенно сократить выбросы вредных и ядовитых веществ в атмосферу и водоемы). Ресурсосбережение;

- методы и технологии охраны окружающей среды (защитные сооружения и физические основы их действия). Физические методы мониторинга состояния окружающей среды.

Все сказанное объясняет важную роль физики в экологическом образовании, однако в практике экологического образования роль физики недооценивается. На страницах журнала «Физика в школе» и в приложении «Физика» к газете «Первое сентября» разработкам экологического характера уделяется крайне мало внимания. Это побудило авторов выполнить научно-методические разработки по проблемам преподавания экологии на уроках физики (Зиятдинов, Миркин, 2004 а,б; Зиятдинов, Наумова, 2004; Миркин и др., 2004).

Место физики в экологическом образовательном пространстве

Поскольку, как уже отмечалось, отношения организмов и условий среды имеют во многом физическую природу, то знание физики необходимо практически для любого раздела экологии. Однако в таблицу мы включили те разделы экологии, в которых вклад физики в экологическое образование особенно велик.

Таблица

Вклад физики в изучение различных разделов экологии

Раздел экологии Предмет

Природ оведени е Биолог ия Географ ия Химия Физика Об- щество- зна-ние Основы эко- номики

Общая экология

Экологические факторы + + +++ + + - -

Экология организмов + +++ + + + - -

Г ородская и промышленная экология

Особенности городских экосистем + +++ +++ - + - -

Энергетика - - +++ + +++ - +

Химическое загрязнение + + + +++ ++ + +

Физическое загрязнение - + - - +++ + +

Озеленение + +++ - + + - -

Сельскохозяйственная экология

Экологизация сельскохозяйственного производства + +++ ++ ++ + + +

Биосфера

Строение и основные круговороты веществ + +++ +++ +++ + - -

Антропогенные нарушения + +++ +++ +++ + + +

Социальная экология

Экология человека ++ +++ +++ + + + +

Развитие энергетики - - ++ - +++ - +

Международное сотрудничество + + + + + +++ +

Примечание. В таблице использованы следующие обозначения: «+++» - полное изучение раздела, «++» - изучаются некоторые специальные вопросы раздела, «+» - даются самые общие представления по вопросу.

Нетрудно видеть, что уроки физики играют особо важную роль при изучении таких вопросов, как энергетика (и ее развитие), химическое и физическое загрязнение среды. Однако на уроках физики рассматриваются и вопросы факториальной экологии, экологии организмов, экологизации

сельского хозяйства, основные биосферные

круговороты веществ и их нарушение.

Непосредственное отношение к физике имеет ряд вопросов международного сотрудничества (в первую очередь по ядерной безопасности).

Система межпредметных связей предполагает рассмотрение части вопросов в рамках нескольких предметов. Элементы дублирования неизбежны при изучении проблем химического загрязнения среды на уроках химии и физики. Однако в химии рассматриваются состав загрязняющих веществ и химические процессы, способствующие загрязнению атмосферы. На уроках физики обсуждается физическая сторона проблемы: значение

конвекционных потоков в промышленных зонах, рассеивание выбросов высокими трубами, роль испарения с поверхности открытых хранилищ жидкого топлива, механические и электрические методы очистки воды и воздуха от загрязнения и т. д.

Некоторое перекрытие содержания уроков по одной теме в разных предметах - достоинство интегрированного варианта экологического образования. Учащиеся получают более полные и глубокие знания по самым сложным вопросам экологии, освещение которых требует участия педагогов разного профиля.

Роль регионализации содержания экологической составляющей

Эффективность экологического образования учащихся в школе при изучении физики может быть значительно повышена за счет последовательной реализации принципа регионализации образования, т. е. достаточно полного насыщения содержания любой темы местным материалом, отражающим современное состояние использования природных ресурсов и традиционный опыт природопользования, который формировался в результате взаимодействия этноса и природного комплекса.

Базовые и региональные элементы содержания должны дополнять друг друга. Например, анализ понятия «городская среда» или влияния промышленности на окружающую среду следует рассматривать преимущественно на местном материале. Необходимо использовать данные об экологической ситуации в городах РБ и о том, как влияют на окружающую среду разные отрасли промышленности республики. Однако при обсуждении вопросов экологизации городов и промышленных объектов нужно использовать позитивные примеры не только из опыта своего региона, но и из опыта развитых стран (Японии, ФРГ и др.).

Особенно важно использовать региональный материал при рассмотрении современного состояния и перспектив развития энергетики. Так, для характеристики уровня производства и потребления энергии следует привести данные по РБ в сравнении с «энергетическим ландшафтом» мира. В настоящее время годовая потребность РБ в энергии составляет 32 миллиона т.у.т (тонн

условного топлива), т.е. 8 т.у.т. на одного человека (с учетом автотранспорта - 9). По данным Мирового энергетического совета (МИРЭС) в 1994 г. в развитых странах подушное потребление составляло 5,0, а в развивающихся 1,1 т.у.т. Учащийся должен знать о том, что, даже с учетом холодного климата, наша энергетика

расточительна.

Энергетика РБ в основном «углеродная»: 97% энергии получается за счет газа и мазута (при соотношении их 80% и 20%), и только 3% - за счет энергии рек. Однако, объем добычи нефти в республике быстро уменьшается (с 1992 по 2004 гг.

- более чем в 2 раза), еще более резко снижаются разведанные запасы «черного золота» - почти в 5 раз, а разведанные - содержат нефть, которую трудно добывать, она вязкая и сильно обводнена.

Разумеется, теплоэнергетика сохранит свою роль, и потому важно привести школьникам примеры повышения КПД тепловых энергетических установок, которые могут в 2-3 раза повышать эффективность использования энергоносителей. Так, если на наших крупных ТЭЦ КПД не превышает 30%, то менее крупные установки могут работать с КПД до 80-90%. В РБ активно внедряются в практику экономичные газотурбинные и поршневые энергоустановки. Хорошим примером может служить г. Сибай, где сдана в эксплуатацию уникальная и самая мощная не только в России, но и в Европе, Зауральская газо-поршневая ТЭЦ, состоящая из десяти дизелей австрийской фирмы «Йенбахер», переведенных на газообразное топливо (КПД составляет около 90%, электрическая мощность 27,39 МВт, тепловая -25,8 МВт). Таким образом, переход от ТЭЦ-монстров к малым ТЭЦ способен повысить КПД использования топлива на 30%.

При рассмотрении нетрадиционной

энергетики следует показать, что возможности для развития гелиоэнергетики и энергетики на основе использования земного тепла в нашей республике практически нет. Какую-то часть потребности в энергии мы можем покрыть за счет использования энергии ветра. Так в 2000 году была сооружена ветроэлектростанция мощностью 2,2 МВт в Туймазинском районе (она является второй по мощности в России). В ближайшее время предполагается построить ветроэлектростанцию в Башкирском Зауралье - в энергодефицитном Хайбуллинском районе.

Некоторый вклад в энергетический бюджет республики может внести малая гидроэнергетика. В 2001 году Кабинет Министров РБ утвердил Программу строительства малых ГЭС в РБ на 20012005 гг., согласно которой в РБ планируется построить или завершить строительство более 30

малых ГЭС. К 2020 г. будет построено еще 10. Если каждый киловатт установленной мощности при строительстве больших ГЭС обходится в 1000 долларов, то на малых ГЭС затраты в 5 раз меньше. Небольшие рассредоточенные источники энергии не нарушают окружающую среду и могут снабжать электричеством средние и даже большие сельские населенные пункты. Отпадает необходимость тянуть дорогостоящие линии электропередачи, которые вызывают электромагнитное загрязнение территории, кроме того, при передаче значительная часть энергии теряется.

В целом же, следует разъяснить школьникам, что мощности, вырабатываемые на мини-ГЭС, на ВЭС и на ГТУ (газотурбинные установки) не смогут сильно повлиять на обеспеченность республики энергией. Их использование целесообразно в тех районах, где трудно провести и обслуживать мощные линии электропередачи.

Эти данные должны убедить школьника в том, что строительство Башкирской АЭС является необходимостью, т. к. только ядерная энергетика способна обеспечить энергетическую безопасность республики.

Концентрический принцип структурирования содержания экологической составляющей

Успех экологического образования на уроках физики во многом будет зависеть от того, насколько учитываются возрастные особенности школьников, которые изучают предмет с 7 по 11 класс и быстро взрослеют. Концентрический принцип структурирования содержания

экологического материала учитывает возрастные особенности школьников.

Нами разработана концентрическая схема развертывания содержания экологии в физике. Оно разделено на 16 экологических концентров (т. е.

дидактических единиц). Содержание разные дидактических единиц с последовательным усложнением материала изучается в разных класса. Приведем список этих единиц с указанием их представленности в разных разделах физики (классах).

Физика и экология ( 7, 10-11 кл.).

Магнитное поле Земли (8-11 кл.).

Атмосфера (7, 10-11 кл.).

Химическое загрязнение атмосферы (8-11 кл.).

Физическое загрязнение окружающей среды (9,11 кл.).

Энергия. Общие вопросы (7-8, 10-11 кл.).

Теплоэнергетика (7-8, 10-11 кл.).

Ядерная энергетика (9,11 кл.).

Энергетика на основе возобновимых источников энергии (7-8, 10-11 кл.).

Экология промышленности (8,10 кл.).

Твердые промышленные и бытовые отходы (7,8,11 кл.).

Экология города и жилища (7,10 кл.).

Экология сельского хозяйства (7,8,10 кл.).

Физические методы экологического мониторинга (7-9,11 кл.).

Экология человека (8-11 кл.).

В заключение отметим, что наши учебнометодические разработки по преподаванию экологии на уроках физики доведены по уровня, когда они могут реализовываться учителями-практиками. В уже цитированном пособии Ш.Г.Зиятдинова и Л.Г.Наумовой приведены схема поурочного планирования материала и разработки оригинальных внеклассных мероприятий экологофизического содержания («радиометрические ребусы», урок-семинар «Радиационная

безопасность», практикум по решению физических задач экологического содержания).

ЛИТЕРАТУРА

1. Зиятдинов Ш.Г., Миркин Б.М. Экологическая составляющая курса физики // Физика в школе, 2004 а, № 3. С. 23-30.

2. Зиятдинов Ш., Миркин Б. Энергетика Республики Башкортостан сегодня и завтра: взгляд экологов //Экономика и управление, 2004 б, № 5. С. 68-72.

3. Зиятдинов Ш.Г., Наумова Л.Г. Вклад физики в школьное экологическое образование: Учебнометодическое пособие. Уфа: Гилем, 2004. 184 с.

4. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Хизбуллина Р.З., Чупанова Л.В., Ефимова Е.В., Зиятдинов Ш.Г., Петрова Т.И. Экология в общеобразовательной школе (Интегрированный вариант) /Учебно-методическое пособие для учителей. М.: Тайдекс Ко, 2004. 108 с. (Лекторий журнала «Экология и жизнь»).

5. Lawton J.H. Are the general laws in ecology? // Oikos, 1999. V. 84. № 1. P. 177-192.

Поступила в редакцию 23.11.04 г.