Методические подходы к решению физических задач экологической направленности при изучении основ атомной и ядерной физики в 11-м классе средней школы

Формирование экологически грамотной личности в современном обществе в немалой степени зависит от результатов школьного образования и воспитания. Первостепенную роль приобретает знакомство учащихся с основами атомной и ядерной физики, которым завершается курс физики в 9-х и 11-х классах средней школы. Это объясняется и тем, что «оборотная сторона» практических приложений физики атома привела к ряду техногенных катастроф, сделавших экологические проблемы глобальными, и тем, что физика микромира, радикально изменив представления о структуре материи, подчеркнула неразрывность взаимосвязи человека, природы и общества. Вот почему пристального внимания исследователей и учителей-практиков заслуживают вопросы, связанные с решением учащимися физических задач экологической направленности. Дело в том, что решение таких задач не ограничивается применением одного закона физики, помогающего констатировать саму «жизненную коллизию», определяя ее физический смысл; оценочный характер таких задач предполагает поиск способов выхода из кризисной ситуации с целью восстановления нарушенного экологического равно- весия и установления предельно допустимых норм антропогенных воздействий на природу. При этом решение физических задач экологической направленности, предусматривающих применение законов из разных разделов курса физики и привлечение знаний из различных учебных дисциплин школьного курса, ориентирует учащихся как на правильность конечного результата, так и на последовательность и полноту отдельных учебных действий, не сводимых к простому выполнению стандартизированных алгоритмических предписаний.

При этом важно помнить о том, что процесс формирования понятий – в том числе и понятия «физическая задача экологической направленности» – должен рассматриваться «со стороны деятельности, действий, связанных с формированием и функционированием понятий» и протекать «не в условиях стихийного усвоения, а в условиях всестороннего управления ходом их формирования» [8, с. 150]. Новые образовательные технологии способствуют тому, что сформированные в 9-х классах научные понятия из указанного раздела (важнейшим из которых является понятие «физическая задача экологической направленности») последовательно укрепляются в сознании учащихся на материале курса физики 10-го класса, обеспечивая перенос знаний из области физики атомного ядра на другие сферы физического знания, и включаются в широкое интегративное пространство образовательного процесса в 11-м классе на базовом и профильном уровнях изучения физики. Разработанный элективный курс вписывается в интеграционные процессы, характеризующие новую, гуманистическую, стратегию образования, учитывающую то, что стремление к «совокупному» знанию – естественное свойство целостной личности. «Экологическое» знание и есть знание «совокупное»: экология находится на пересечении физики, химии, биологии и таких, казалось бы, далеких областей, как литература, история и другие гуманитарные дисциплины.

Предлагаемые методические подходы к изучению рассматриваемой проблемы могут быть представлены в школьном курсе физики вне зависимости от профиля класса. Конечно, это накладывает определенные требования на используемую программу курса, к тому же объем фактического материала, математический аппарат и некоторые другие элементы методики преподавания тем курса в классах разного профиля будут отличаться, но основные идеи и принципы современной атомной физики, укрепляющие экологическое сознание личности учащихся, могут и должны доступно излагаться в любом классе.

Разработчики программы элективного курса «Экологические проблемы современности и атомная физика» для 11-х классов средней школы, который углубляет экологическую составляющую основного курса физики, исходят из того, что применение нестандартных заданий и новых образовательных технологий, позволяющих учитывать индивидуальные особенности школьников, делать акцент на возможностях использования полученных знаний в будущей жизни и профессиональной деятельности, помогают восполнить пробелы в экологической составляющей сознания современного молодого человека. В физических задачах экологической направленности оказываются востребованными знания и предметные, и прикладные, и знания из гуманитарной сферы. В общем и целом это «задачи на жизнь».

При конструировании задач для элективного курса учитывалось мнение исследователей о том, что физические задачи, участвующие в развитии личностных структур человека, бывают трех уровней. Задачи первого уровня составляют те, для решения которых требуется знание формулировок законов и определений физических понятий. Решение задач второго уровня требует не только твердых знаний физических понятий, законов и элементов теории, но и умения оперировать ими. Задачи третьего уровня решают те, «кому свойственен неординарный подход к решению и способность применять различные эвристические приемы, позволяющие избежать логических “ловушек” в условиях задачи, выявляющие умения рассуждать, свободно оперировать физическими понятиями и законами» [4, с. 11]. Однако так или иначе все задачи данного элективного курса ориентированы на то, что их решение не лежит на поверхности, оно требует от учащегося определенных преобразовательных действий, в ходе которых значимые взаимосвязи и отношения выступают явно и могут быть обнаружены и проанализированы, так что преобразование условия – процесс творческий.

Концептуальная база курса в отличие от информационно-справочной, ориентированной на знаниевый подход в образовании, строится на личностно-деятельностной основе, т.е. «научная информация, подлежащая усвоению, выступает в качестве средства, а не цели» [10, с. 39]. Целью же становится выделить конкретные виды деятельности (например, деятельности физика-теоретика, программиста, изготовителя практических моделей, инженера-эколога, журналиста, специализирующегося на коэволюционных процессах и т.д.), задать их с учетом «интеллектуальной направленности учащихся» и «организовать учебный материал, адекватный их содержанию и требованиям» [Там же, с. 40].

Новые возможности открывает для учащихся использование компьютерных технологий на занятиях элективного курса. Так, уже существуют примеры «использования компьютерных технологий при решении задачи на расчет КПД ядерного реактора нового типа. У каждого поколения реакторов он свой, и их развитие идет по пути совершенствования, повышения КПД» [3, с. 15]. Компьютер, экономя время урока, позволяет избежать массы бумажных «типовых» расчетов и дает возможность выстроить на дисплее математически и физически достоверный график распада определенного радиоактивного препарата, сравнить активности и удельные активности наиболее распространенных радиоактивных изотопов. Однако решение должно быть комплексным: методы компьютерного моделирования чередуются с традиционным расчетным решением физических задач экологической направленности по формулам, чтобы не превращать интеллектуальный процесс в «накатанную дорогу». Этому служит и проводимая в рамках элективного курса виртуальная экскурсия на атомную электростанцию, помогающая сегодняшним школьникам своими глазами увидеть достижения инженерной мысли и позволяющая им почувствовать себя экспертами, способными по-взрослому, на практике (пока виртуальной) оценить и мощность реактора, и экологические риски, возникновения которых можно избежать в случае грамотной эксплуатации атомных систем. Организация такого типа экскурсии соответствует представлениям ученых-методистов: «Если раньше учебные экскурсии носили в основном политехнический и профориентационный характер», то в условиях современной школы они приобретают «культурологическую, эстетическую и нравственно-этическую направленности» [9, с. 209], в том числе – экологическую.

Урок-беседа, предваряющий экскурсию, намечает проблемные вопросы, разрешением которых завтра будут заниматься сегодняшние школьники. Этои сведения о том, что «в 2007 го- ду правительством России принято решение в течение 10–15 лет построить столько АЭС, чтобы их вклад в энергетику страны составлял не менее 30 %» [6, с. 11], и вопросы о запасах природного урана, и захоронении радиоактивных отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях. Это и проблема размещения АЭС. Учителя волгоградских школ напоминают своим ученикам о специфике географического расположения региона: ближайшие к нашей области АЭС – Нововоронежская и Ростовская, играющие важную роль в энергообеспечении Южного федерального округа, – находятся в нескольких сотнях километров от города. Здесь уместными представляются и сведения о том, что год от года повышается уровень требований к изготовлению продукции атомной промышленности и методам контроля ее качества. Сейчас идет работа над новыми проектами реакторных установок ВВЭР, обладающими более высокой безопасностью за счет применения пассивных систем отвода остаточного тепла без вмешательства операторов и без необходимости срочного включения резервных систем энергообеспечения. На подготовительном этапе проведения экскурсии учитель помогает группам экскурсантов составить свои «маршрутные карты», где определены задания, ответы на которые и есть план проведения экскурсии на определенном участке АЭС. Группа «ученых-атомщиков», ответственная за рассмотрение имитационной модели ядерного реактора, напоминает одноклассникам о физических принципах функционирования атомных установок. Накануне проведения экскурсии участники этой группы получают следующие вопросы и задания: Что такое цепная ядерная реакция? Что называется атомным реактором? Какие изотопы радиоактивных веществ чаще всего используются в качестве ядерного топлива? Что называется критической массой делящегося вещества?. Проведя экскурсию на своем участке, группа ученых-атомщиков предлагает классу решить практико-ориентированную задачу, соответствующую принципам политехнизма и профессиональной ориентации обучения: При делении одного ядра урана 95235U на два осколка выделяется энергия 200 МэВ. Какая энергия освобождается при «сжигании» в ядерном реакторе 1 г этого изотопа? Сколько каменного угля (удельная теплота сгорания ро = 29 МДж/кг) нужно сжечь для получения такой энергии?. Правильное решение задачи становится приглашением-пропуском на следующий этап экскурсии. Группа «инженеров- энергетиков» сопровождает учащихся по «турбинному залу» виртуальной АЭС, уточняя известные им еще из курса физики основной школы принципы устройства паровой турбины и механизм преобразования энергии деления атомных ядер в электрическую. Задания для этой группы участников урока выглядит следующим образом: Назовите виды радиоактивного излучения и возможные методы их регистрации; Охарактеризуйте поражающие факторы известных вам видов радиоактивного излучения; Какова предельно допустимая доза облучения для персонала АЭС? Поясните критерии выбора материалов для конструирования систем биологической защиты реакторов. На этом этапе экскурсии ученики решают задачу следующего содержания: Гамма-излучение лучше всего поглощает свинец (в 1,5 раза лучше стальной брони и в 22 раза лучше воды). Толщина слоя половинного ослабления гамма-излучения для свинца равна 2 см. Какой толщины нужен слой свинца, чтобы ослабить гамма-излучение в 128 раз?. У третьей группы – «журналистов-экологов» – своя задача: проанализировать, как осуществляется контроль за состоянием окружающей среды вокруг атомной станции, какие методы и приборы используются для этого и т.д. Задания для этой группы посвящены, в первую очередь, вопросам биологического воздействия радиоактивных излучений: Что такое естественный радиационный фон? Назовите основные искусственные источники радиации, влияющие на естественный радиационный фон; Что называется дозой поглощенного излучения? Какая физическая величина характеризует различие биологического действия разных видов излучения?. Учащиеся этой группы проводят «мониторинг» готовности участников экскурсии из групп «инженеров-энергетиков» и «ученых-атомщиков» к работе в условиях зоны повышенной радиационной опасности, который осуществляется при решении практико-ориентированных заданий такого типа: Представьте, что вы начальник службы санитарно-дозиметрического контроля АЭС. Разрешите ли вы работать сотруднику на производстве по ремонту тепловыделяющих стержней (ТВС) в течение 200 дней в году по 6 часов в день, если предельно допустимая доза облучения равна 50 мГр в год? Средняя поглощенная доза излучения для сотрудников на этом производстве находится в пределах 8 мкрГр в 1 час [7, с. 162]. Подобного рода и таким образом подобранные задачи направлены «не столько на усвоение учебной информации, сколько на преобразо- вание личности всех субъектов образовательного процесса» [2, с. 7]. Таким образом, новые образовательные технологии способствуют тому, что применение разработанной методики подтверждает целесообразность использования наряду с традиционными методическими подходами обучения физике таких активных форм, как виртуальная экскурсия, в ходе которой решаются разноуровневые задачи экологической направленности, позволяющие учитывать личные интересы и возможности одиннадцатиклассников и приучая их работать в команде.

Сведения о системах защиты атомных реакторов, полученные учащимися в ходе виртуальной экскурсии по атомной станции, дополняются незаменимым жанром – «словом учителя»: В активной зоне перспективных реакторов типа НТК расположен контейнер, заполненный, словно бильярдными шарами, графитом сферической формы. Каждый из таких «шаров» имеет покрытие, состоящее из 15 тысяч частиц оксида урана размером с маковое зернышко. В реактор загружается более 10000 таких шаров, хладагентом служит гелий, который нагревается отходящим теплом расщепления ядра до температуры примерно 900 ⁰ С. Однако даже в отсутствие хладагента конструкция не позволит разогреться реактору более, чем до 1600 ⁰ С (при такой температуре исключена возможность расплавления стержней) [5, с. 42]. Молодежи необходимо осознавать, что «сегодня вопросы утилизации радиоактивных отходов вызывают у ученых-атомщиков не меньшую озабоченность, чем вопросы надежности и безопасности АЭС» [Там же, с. 43]. Акцент на интернациональном характере обсуждаемых проблем ядерной безопасности делают и интернет-ресурсы, используемые на уроке. Учитель подчеркивает, что эти проблемы не разрешимы без помощи отечественных ученых, ряды которых в скором времени пополнят и нынешние старшеклассники, получившие на уроке эмоционально насыщенную характеристику того исторического периода, что связан с зарождением и развитием атомной физики от ее первых шагов до экологически безопасной ядерной энергетики с полным замыканием цикла – основы промышленной энергетики XXI в., а значит, и самой жизни на нашей зелено-голубой планете.