Методика формирования экологической культуры учащихся при изучении основ атомной и ядерной физики в средней школе

В связи с обострением глобальных экологических проблем, осложненных последствиями чернобыльской трагедии и аварией на АЭС «Фукусима-1», формирование экологической культуры учащихся, охватывающей всю «совокупность опыта взаимодействия человека и природы, обеспечивающей его выживание и устойчивое развитие и выраженной в виде нравственных норм, ценностей, теоретических знаний, способов практических действий, поступков и культурных традиций» [1, с. 119], становится приоритетной целью обучения физике в средней школе. Особое значение при этом приобретает изучение основ физики микромира, знакомство с которыми традиционно завершает курс как основной, так и средней полной школы: это ее развитие заставило человека, осознавшего свое величие и свою зависимость от природы, всерьез задуматься о законах нового планетарного мышления, направленного на «созидание целостного, взаимосвязанного и взаимообусловленного мира» (В.И. Данильчук).

Несмотря на то, что все темы школьного курса физики как науки о природе обладают значительным потенциалом для формирования экологической культуры школьников, изучение основ атомной и ядерной физики является приоритетным не только потому, что оборотная сторона практических приложений физики атома привела к ряду техногенных катастроф, сделавших экологические проблемы глобальными, но и вследствие того, что физика микромира, радикально изменив представления о структуре материи, подчеркнула неразрывность взаимосвязи человека, природы и общества. Поскольку экологическое знание - знание «совокупное», препятствующее исключению физики из «сферы человеческого духа и культуры» [2, с. 88], важно отметить, что сама история становления современного научного статуса категории «экологическая культура» связана именно с развитием физики атома и атомного ядра, способствующей формированию базовых для экологии понятий: «радиационное загрязнение», «ионизирующее излучение», «естественный радиационный фон» и др. В свою очередь, важнейшие экологические понятия вошли в активное употребление физиков: «экологический риск», «экологический мониторинг», «экологический контроль», «устойчивость экосистем и биосферы» и др.

Вместе с тем многогранность и недостаточная изученность самого феномена «экологическая культура личности» обусловливают отсутствие единых взглядов на его сущностные характеристики. На основе исследований А.А. Вербицкого, С.Н. Глазачева, Н.С. Дежниковой и др., рассматривающих экологическую культуру личности с учетом возрастных особенностей учащихся средней школы, этот феномен может быть представлен как система взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов: мотивационно-ценностного, когни-тивно-деятельностногоирефлексивного. Основой содержания мотивационно-ценностного компонента экологической культуры является познавательный интерес учащихся к мировоззренческим аксиологическим знаниям в условиях развития ядерной энергетики и радиационных технологий. Содержание когнитивно-деятельностного компонента включает в себя определяемую образовательным стандартом по физике систему физикоэкологических знаний (понятий, законов, теорий) и умений оперировать ими при объяснении явлений природы, свойств тел и веществ и при решении физических задач экологической направленности. Рефлексивный компонент предполагает формирование экологически ориентированного самоопределения личности в соответствии с пониманием научной картины мира в условиях глобальных экологических проблем, связанных с развитием атомной промышленности. Компоненты экологи -ческой культуры и критерии их сформирован-ности позволяют выявить в учебной деятель-

ности три уровня сформированности экологической культуры учащихся средней школы:

• 1)    учащиеся с низким уровнем сформи-рованности экологической культуры познавательный интерес к овладению физикоэкологическими знаниями проявляют ситуативно, интерес к природным явлениям и процессам возникает в «локальных» ситуациях (во время лабораторных занятий, учебных экскурсий экологической направленности и т.д.), в отношении к природе преобладает прагматическая установка; учащиеся характеризуются «отчужденностью» своей жизни и будущей профессии от экологических проблем, в ходе учебной деятельности выбирают задачи минимальной сложности;

• 2)    учащиеся со средним уровнем сфор-мированности экологической культуры характеризуются тем, что познавательный интерес к усвоению физико-экологических знаний у них неустойчив, природа воспринимается как объект изучения, но по отношению к ней преобладают прагматические или эстетические установки; учащиеся проявляют склонность к выполнению типовых заданий, но с помощью учителя, который стимулирует познавательный интерес к экологической проблеме, заложенной в физической задаче, и подчеркивает практическую и личностную значимость для ученика успеха в предполагаемой деятельности; они способны к выполнению заданий с элементами творчества;

• 3)    учащихся с высоким уровнем сформи-рованности экологической культуры характеризует устойчивая потребность в усвоении физико-экологических знаний, установка на изучение и охрану природы, осознание ее «субъектности» и собственной включенности в биосферу; они обладают системой физикоэкологических знаний, связанных с основами атомной и ядерной физики, умеют самостоятельно применять их при решении физических задач экологической направленности, критически оценивать результаты своих действий и находить новые решения в нестандартных ситуациях, где преобразование окружающего мира не нарушает законов гармоничного взаимодействия человека, общества и природы.

Поскольку экологическая культура личности как составляющая общей культуры формируется на протяжении всей человеческой жизни, не представляется возможным определить конкретные этапы ее формирования, в противном случае реализация цели одного из этапов вызывает сомнение в необходимости существования каждого последующего этапа при условии, что «цель предыдущего – формирование экологической культуры, достигнута, иначе зачем же выдвигать недостижимые цели» [4, с. 44–45]. Однако можно выявить такие этапы в освоении физико-экологических знаний и умений оперировать ими при выполнении заданий, требующих от обучаемых применения знаний, связанных с основами атомной и ядерной физики, которые позволяют преодолеть фрагментарность представлений учащихся о физике микромира, изучаемой в 9-х и 11-х классах, и придать процессу формирования экологической культуры учащихся средней школы поступательный и системный характер. Реализация разработанной методики проходила в три этапа, каждому из которых придавались конкретные целевые, процессуальные и содержательные характеристики. Были сформированы и группы учащихся: экспериментальная группа, в которой проходил экспериментальную проверку разработанный комплекс методов и средств для формирования экологической культуры учащихся средней школы при изучении основ атомной и ядерной физики, реализующий возможности основного курса физики и курсов по выбору, и контрольная группа, в которой занятия по изучению основ атомной и ядерной физики проводились в рамках основного курса физики на традиционной методической базе.

I э т ап реализации методики проходил в 9-х классах. Примерная программа основного общего образования по физике предусматривает изучение темы «Квантовые явления» в течение 23 часов, когда девятиклассники знакомятся с явлением радиоактивности, с природой α-, β-, γ-излучений, изучают природу радиоактивного распада и его закономерности, механизмы протекания реакции деления ядер урана и устройство ядерного реактора, осваивают правила защиты от радиоактивных излучений и др. Уровень физико-математической подготовки дает учащимся 9-х классов возможность при изучении основ атомной и ядерной физики решать задачи на нахождение энергии связи атомных ядер и дефекта массы ядер различных изотопов, использование правила смещения, указывающего, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение, а также задачи по теме «Строение атома и атомного ядра». Целью реализации экспериментальной методики на данном этапе было создание условий для актуализации потребности в освоении физикоэкологических знаний, связанных с основами атомной и ядерной физики, и осознанного выбора учащимися профиля дальнейшего обучения. Содержательную основу данного этапа реализации методики составляет учебный материал курса физики основной школы и курса по выбору «Фундаментальные эксперименты в атомной физике и живая природа», рассчитанного на 17 часов. Последний дополняет и углубляет содержание базового курса физики 9-го класса за счет более обстоятельного знакомства с историческим контекстом становления и развития представлений человечества о структуре материи, первыми научными теориями, наблюдениями и экспериментами в области микромира, раскрывающими неразрывность взаимосвязи «человек - природа». Программа данного курса предусматривает изучение таких вопросов, как «“Бериллиевое” излучение: опыты Кюри и Чедвика. Проникающая способность нейтронного излучения», «Методы регистрации ионизирующих излучений. Бытовые дозиметрические приборы» и др. Процесс формирования экологической культуры на данном этапе реализации методики определяется, в первую очередь, организацией и проведением дополнительных лабораторных занятий (изучение экспериментов Э. Резерфорда и Ф. Содди, анализ треков частиц в ионизационных детекторах и т.д.). Эти занятия развивают навыки наблюдения и моделирования и реализуют принцип «обучения через действие» с помощью информационных технологий, обеспечивающих школьников доступными им знаниями о способах дозиметрического контроля за радиационной обстановкой в окружающей среде, об основных методах обеспечения безопасности вблизи источников ионизирующего излучения, о принципах работы некоторых лабораторных установок, применявшихся в ядерных исследованиях и т.д.

Важным средством формирования экологической культуры учащихся выступает демонстрационный физический эксперимент, организация которого предусматривает сочетание основных видов учебно-познавательной деятельности (наблюдение, физический эксперимент и моделирование), позволяя учащимся «интегрировать методы теоретического и эмпирического познания» (А.В. Сорокин) и осознанно подходить к выбору будущего профиля обучения в старшей школе. Этому способствовало и решение качественных и количественных физических задач экологической направленности, сконструированных для курса по выбору «Фундаментальные эксперименты в атомной физике и живая природа». Например, при изучении строения атомного реактора предлагалась такая качественная задача: «На складе строительной компании есть кирпич, алюминий, железобетон, дерево, кадмий, свинец. Какие вещества могут быть наиболее эффективно использованы для устройства радиационной защиты от нейтронного излучения на АЭС и для медицинского кабинета, где для лечения больных применяют α-радиоактивные изотопы?». Что касается дополнительных лабораторных работ, то каждая из них состояла из двух частей: базовой, инвариантной для всех учащихся, и дополнительной, ориентированной на различные уровни сформированно-сти экологической культуры девятиклассников. Для учащихся с низким уровнем сформи-рованности экологической культуры дополнительными были задания, сопровождавшиеся коррекционными пояснениями. Например, при изучении треков элементарных частиц по готовым фотографиям им предлагалось определить: «Какие из перечисленных ниже а-радиоактивных препаратов мог использовать Э. Резерфорд при постановке экспериментов по рассеянию α-частиц? (α-радиоактивный изотоп полония 21084Po был открыт в 1898 г.; α-радиоактивный изотоп плутония 23894Pu – в 1941 г.; α-радиоактивный изотоп актиния 22789Ac - в 1906 г.)». Учащимся со средним уровнем сформированности экологической культуры в качестве дополнительных предлагались задания, заставляющие сравнивать, соотносить характеристики, показатели, результаты проведенных опытов, например: «На знаменитой фотографии, полученной в ходе экспериментов по изучению протона (наблюдение прохождения альфа-частиц сквозь газ), была зафиксирована “вилка” из двух треков частиц, образовавшихся в результате столкновения. Между какими частицами оно происходит, если в результате образуются изотоп кислорода (17§О) и протон (^Н)?». Дифференциация дополнительных заданий позволила девятиклассникам с низким уровнем сформиро-ванности экологической культуры убедиться в действенности вспомогательного материала, а учащимся со средним уровнем – приобрести опыт самостоятельного применения физикоэкологических знаний на практике.

II этап реализации экспериментальной методики проводился в 10-х классах и предполагал внедрение в учебный процесс элективного курса «Физические основы современных экологических проблем», который изучался одновременно с разделами «Молекулярная фи- зика» и «Электродинамика», имеющими экологическую направленность в контексте рассмотрения основ молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Формирование статистических представлений позволяло учащимся понять смысл необратимости тепловых процессов. С одной стороны, это помогало сохранить и в основном курсе преемственные связи с физикой атомного ядра, изучавшейся в 9-х классах (например, при формировании понятий «внутренняя энергия», «количество теплоты», «температура» и т.д.). С другой стороны, курс физики 10-го класса укреплял и экологическую составляющую учебного материала при знакомстве с сущностью закона термодинамического равновесия, находящегося в соответствии с понятием «устойчивость биосферных процессов и экосистем» (А.П. Рыженков), физических законов теплоэнергетики, работой тепловых двигателей, формируя представление о физике «не только как движущей силе научно-технического прогресса, но и как главном инструменте сохранения окружающей среды» [5, с. 11]. Целью этого этапа реализации экспериментальной методики было создание условий для формирования у школьников системы физикоэкологических знаний и умений их применения при решении физических задач экологической направленности, которые необходимы для закрепления базовых понятий, образованных при изучении основ атомной и ядер-ной физики в 9-х классах. Рассмотрение экологической составляющей методики на этом этапе основывалось на взаимодействии учебного материала разделов «Молекулярная физика» и «Электродинамика» основного курса физики и содержания элективного курса «Физические основы современных экологических проблем», рассчитанного на 17 часов и включающего такие темы, как «Тепловые эффекты химических реакций. Эндо- и экзотермические реакции», «Радиационное воздействие на органические соединения» и др. Процесс формирования экологической культуры учащихся на данном этапе реализации методики определялся решением комплекса разноуровневых физических задач экологической направленности. Если на I этапе реализации методики учащиеся освоили начальную стадию систематического изучения объектов микромира на основе таких физических методов научного познания, как наблюдение, физический эксперимент, построение моделей атома и атомного ядра, то на II этапе понятия физики микромира закреплялись через расширение спектра различных способов самостоятельной учебной деятельности десятиклассников, не только наблюдающих за моделированием физических явлений, но и участвующих в математическом обосновании физических гипотез посредством решения физических задач экологической направленности. Это обеспечивало «перенос» знаний, усвоенных школьниками при изучении основ теории микромира в 9-х классах, на другие разделы физики и способствовало формированию экологической культуры учащихся, через физику познающих мир во всем его многообразии и убеждающихся в возможности его рационального познания и преобразования. Им предлагались «практически значимые задачи, решаемые человеком в профессиональной деятельности и в быту с применением физических знаний» [6, с. 28]. Так, при рассмотрении темы «Количество теплоты» они решали следующую задачу: «Определите недостающий компонент реакции термоядерного синтеза дейтерия и трития (реакция сопровождается вылетом одного нейтрона): 21H+31H→X+10n. Вычислите количество энергии, единовременно выделяющееся в ходе этой реакции. Ученые-экологи рассчитали, что среднее количество древесной биомассы на гектар лесов планеты составляет 109 т/ га. Оцените площадь лесов планеты, которые можно спасти от сжигания в качестве топлива для получения такого же количества энергии, что и в одном акте приведенной реакции термоядерного синтеза. Удельная теплота сгорания древесины – 10 МДж/кг».

Элективный курс нацелен на формирование ориентировочной основы для решения такого рода задач, требующих применения знаний из различных научных областей. Речь идет о выработке своего рода алгоритмических предписаний, которые учитель не предлагает в готовом виде, а выстраивает в ходе совместной работы с учащимися, и которые учащиеся воспринимают как продукт собственной учебной деятельности. Согласно таким предписаниям (определите физический смысл представленной в задаче экологической проблемы; выясните, может ли рассматриваемая в задаче экологическая проблема быть разрешена с использованием только физических закономерностей или необходимо привлечение знаний из других наук; назовите последовательность действий по решению задачи; оцените правильность решения экологической проблемы), решаются задачи, в которых раскрываются связи учебного материала с будущей профессиональной деятельностью учащихся, подчерки- вается неразрывность взаимосвязи «человек – природа – общество». Например: «В 1896– 1897 гг. французская таможенная служба закупила партию флоуроскопов – первых в мире приборов для контроля багажа. В Парижской политехнической школе для оценки радиационной нагрузки приборов такой конструкции были проведены исследования экспозиционной дозы излучения сохранившегося до наших дней прибора. Определите количество пар ионов, образовавшихся в счетчике Гейгера емкостью 24 пФ, если присоединенный к счетчику вольтметр показал уменьшение напряжения на 20 В. При решении задачи считать, что ионизационная способность излучения использована полностью. Рассчитайте значение экспозиционной дозы, регистрируемой в приборе, и определите, превышает ли оно безопасное для человека значение (учтите, что для человеческого организма безопасной считается экспозиционная доза, примерно в 250 раз превышающая дозу, создаваемую естественным радиационным фоном)». Учащиеся с низким уровнем сформированности экологической культуры осваивают решение физических задач экологической направленности, следуя алгоритмическим предписаниям как своего рода самоучителю, обеспечивающему необходимую поддержку. Решение заданий такого рода у учащихся со средним уровнем сформирован-ности экологической культуры в основном не вызывает затруднений, что позволяет им самостоятельно решать задачи с элементами творчества (например, если приведенная выше задача дополняется вопросами: «Какие изменения могут произойти в работе счетчика Гейгера, если резистор R1 будет заменен резистором с R2

III этап реализации экспериментальной методики проводился в 11-х классах, где изучается раздел «Квантовая механика и элементы астрофизики» и происходит знакомство с физическими основами функционирования атомных реакторов. В это время учащиеся приобретают «политехнические знания экологического характера» [7, с. 23], выясняя физико-химические свойства ядерного горючего, замедлителя, теплоносителя, виды и свойства получаемых в ядерной промышленности отходов, методы обеспечения радиационной безопасности и т.д.

Учебный материал базового курса физики был дополнен содержанием элективного курса «Экологические проблемы современности и атомная физика», ориентированно- го на формирование представлений одиннадцатиклассников о глобальных экологических проблемах, причинах их возникновения и путях решения, о способах минимизации экологических рисков в промышленных атомных системах в связи с перспективой перехода современного общества на модель устойчивого развития. Комплексное сочетание методов наблюдения, эксперимента и моделирования при проведении дополнительных лабораторных работ («В лаборатории Резерфорда» и «Регистрация космического излучения»), закрепление навыков практического применения физико-экологических знаний при решении физических задач экологической направленности, в ходе виртуальных экскурсий и деловых игр, интегрированных уроков были положены в основу процесса формирования экологической культуры учащихся на III этапе реализации экспериментальной методики.

Данный элективный курс характеризуется модульной организацией, синтезирующей мотивацию обучения, проблемность, личностное ориентирование и дифференциацию обучения. Каждому модулю соответствует свой набор учебных ситуаций. Малознакомый учащимся материал в I модуле «Атомные открытия начала ХХ века как научная революция» излагается в форме лекции учителя или лекции-беседы. Что касается опытов Резерфорда по рассеянию α-частиц, то проводится лабораторная работа «В лаборатории Резерфорда». Для ее конструирования применяется «игровая» технология, одна из базовых в личностно ориентированном обучении. Игра оказывается действенным средством вовлечения в круг физикоэкологических проблем всех учащихся, которые понимают, как думали, проводили наблюдения и работали физики-профессионалы, заложившие основы физики микромира. Во II модуле «Решение физических задач экологической направленности» доминирующим средством формирования экологической культуры учащихся является решение разноуровневых физических задач экологической направленности. Например: «После взрыва в пустыне Аламогордо было установлено, что концентрация плутония 23994Pu в озере Toularose (25 км от полигона, где был произведен атомный взрыв) находится на уровне 2,2∙105 Бк/л. Через какой промежуток времени концентрация плутония 23994Pu в воде озера снизится до уровня, когда ее можно употреблять в пищу (0,54 Бк/л)?». Новые, в сравнении с разработанными в 10-х классах, пункты в алгоритмических предписаниях (проанализируйте содер- жание задачи с точки зрения востребованности в вашей будущей профессии; объясните, подтверждает ли решение данной задачи возможность обеспечения практически безопасного применения ядерных технологий и т.д.) помогали одиннадцатиклассникам сохранить принцип преемственности в решении задач такого рода и сформировать навыки преобразования информации, что стимулировало творческие инициативы учащихся. Для некоторых учащихся это стало основой для самостоятельной проектной деятельности: «”География” радона: естественный радиационный фон на различных территориях Земли»; «”Х-лучи”: на службе радиационной медицины»; «Управляемый термоядерный синтез – шаг к безопасной ядерной энергетике третьего тысячелетия?» и т.д. В III модуле «Экологические проблемы современной атомной энергетики» наибольший интерес представляет организация урока-экскурсии по виртуальной атомной станции. Компьютерное сопровождение такой экскурсии помогает учащимся увидеть достижения инженерной мысли и почувствовать себя экспертами, способными на практике (пока виртуальной) оценить мощность реактора и экологические риски, возникновения которых можно избежать в случае грамотной эксплуатации атомных систем. На подготовительном этапе проведения экскурсии учитель помогает сформировать группы учащихся в зависимости от их индивидуальных предпочтений: группа «ученых-атомщиков» назначается ответственной за рассмотрение имитационной модели ядерного реактора; 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; задача «журналистов-экологов» – проанализировать, как осуществляется контроль за состоянием окружающей среды вокруг атомной станции, какие методы и приборы используются для этого и т.д. Физические задачи экологической направленности, решаемые в ходе проведения экскурсии, составлены с учетом принципа политехнизма, «обеспечивающего знание законов развития природы и общества, основ современной техники и технологии, способность ориентироваться в системе общественных и производственных отношений, готовность к труду» [3, с. 18]. Доминирующим средством формирования экологической культуры учащихся в IV модуле «Атомная энерге- тика нового тысячелетия: быть или не быть?» становятся интегрированные уроки физики с дисциплинами гуманитарного цикла. Комплексной проблемой, послужившей основой для такого рода интеграции, выступает экология, рассматриваемая сквозь призму современных представлений об атомной промышленности. Так, изучая тему «Ядерное оружие: сдерживание агрессии или сдерживание прогресса?» учащиеся наряду с вопросами воздействия ионизирующих излучений на живые организмы, принципами действия ядерного и термоядерного оружия, поражающими факторами и основными методами защиты от них рассматривают рассказ В. Гроссмана «Авель (Шестое августа)», посвященный американской бомбардировке Японии в 1945 г. На занятиях по изучению основ ядерной энергетики школьники, знакомясь с экологическими последствиями аварии на Чернобыльской АЭС, получают представление не только о причинах, повлекших эту катастрофу, методах безопасной эксплуатации реакторных систем, производя оценочные расчеты содержания долгоживущих радиоактивных изотопов (в том числе, 9038Sr, 13755Cs) на зараженных в результате аварии территориях, но и о том, как чернобыльские события отразились в художественной и публицистической литературе.

Оценка уровней сформированности экологической культуры учащихся в контрольных и экспериментальной группах позволила выявить положительную динамику в формировании экологической культуры учащихся средних школ и более высокие показатели данного процесса в экспериментальной группе.  Та ким образом, разработанная методика формирования экологической культуры учащихся, рассматриваемой как системообразующее начало интеграции естественнонаучных и гуманитарных дисциплин в школьном образовании, успешно использует экологическую составляющую физики микромира, представленную в основном курсе физики, разработанные курсы по выбору физико-экологического содержания и предусматривает комплексное использование в качестве основных следующие методы и средства обучения:

• 1)    компьютерный физический эксперимент, применяемый для математического моделирования и анализа результатов фундаментальных опытов в области теории строения атома, экспериментальных методов регистрации элементарных частиц, принципов функционирования атомного реактора и его основных компонентов, построения систем радиационной защиты и дозиметрического контроля;

• 2)    комплекс разноуровневых контекстных физических задач экологической направленности, формирующих природоохранительные умения учащихся, заставляющих их «прислушиваться к потребностям самой природы» (Г.С. Батищев), используя понятия физики микромира для расчета радиационных нагрузок на живые организмы («доза излучения», «естественный радиационный фон», «радиационный пояс Земли» и т.д.), возможностей рационального использования энергетических ресурсов и конструирования моделей систем радиационной защиты («постоянная распада», «интенсивность ионизирующего излучения», «радиоактивные отходы» и т.д.), прогнозирования экологических последствий антропогенного воздействия - в том числе промышленного использования ядерной энергии - для физического состояния окружающей среды («термоядерный синтез», «изотоп» и др.);

• 3)    интегрированные уроки физики с дисциплинами естественнонаучного и гуманитарного циклов, препятствующие «расщеплению понятий» (А.В. Усова), но обогащающие навыки мышления учащихся и способствующие становлению целостной научной картины мира.