CC BY
43
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия В. Техника и технологии, естествен ии хуманитарни науки, том XVI., Съюз на учените сесия "Международна конференция на младите учени" 13-15 юни 2013. Scientific research of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVI, ISSN 1311-9192, Union of Scientists, International Conference of Young Scientists, 13 - 15 June 2013, Plovdiv.
УЧЕБНИ ДЕМОНСТРАЦИИ, ИЛЮСТРИРАЩИ ЯВЛЕНИЕТО
ПАРНИКОВ ЕФЕКТ
Антоанета Ангелачева Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" Teaching experiments illustrating the greenhouse effect
Abstract. In the article are presented teaching experiments about the greenhouse effect. On the basis of the requirements of the methodology and techniques of conducting educational experiments are determined indicators for assessment of their quality. On the rating scale experiments with very good and excellent quality are selected. In the appendix is described the methodological consistency for the implementation of one of the experiments and are given options for its realizing. Statistical analysis of the results of the experts' assessment and pedagogical experiment will be presented in the other paper.
Увод
Проблемите, свързани със замърсяването на околната среда (засилване на парниковия ефект, увреждане на озоновия слой, образуване на киселинни дъждове, смог и др.) са във фокуса на вниманието на специалиста от различни научни области. Решаването на тези глобални проблеми е възможно, само ако настъпят промени в социалната еволюция по посока поддържане на хармония между човека, обществото и природата.
В тази връзка формирането на екологична култура на младото поколение е една от главните цели на образованието. Постигането на тази цел е в основата на оптимизиране на взаимоотношенията между човека и околната среда, тъй като екологичната култура е неотменима част от духовността и от общата култура на личността.
За обогатяване на екологичната култура на учениците се използват възможностите както на учебното съдържание по природонаучните учебни предмети, така и на системата от организационни форми, методи и средства на обучение (Ангелачева & Гергова, 2011). Водещ метод в процеса на обучение по химия е учебният химичен експеримент, който позволява непосредствено наблюдение и изучаване на обекти от околната среда. Той може да се използва за повишаване на екологичната подготовка на учениците чрез запознаване с въздействието на химичните вещества върху околната среда и с методите за нейното опазване и възстановяване.
Прегледът на учебното съдържание по предметите „Човекът и природата" (5. и 6. клас) и „Химия и опазване на околната среда" (7.-12. клас) показва отсъствие на експериментална дейност, свързана с глобалните екологични проблеми. Изключение прави учебникът за профилирана подготовка 9. клас (Близнаков еt al., 2002, 145), в който присъства опит за изследване свойството на въглеродния диоксид да поглъща инфрачервените лъчи.
Целта на настоящата работа е подбор и разработване на учебни експерименти, които илюстрират един от глобалните екологични проблеми (засилването на парниковия ефект на Земята) и могат да се използват за онагледяване на процеса на обучение по
химия във връзка с обогатяване на екологичната култура на учениците.
Описание и методология на изследването
При организирането и провеждането на учебно-експерименталната дейност се оформят изисквания в следните аспекти: методика на провеждане и техника на изпълнение и на безопасност на опитите (Ангелачева, 2006). Методиката на провеждане дава отговор на въпросите защо, кога, къде, по какъв начин ще бъде организиран и проведен даден експеримент. За да бъде включен конкретен опит в процеса на обучение, той трябва да има определена цел, която е свързана с целите на обучението по съответния учебен предмет. При това трябва да бъде съобразен с логиката на учебното съдържание, със знанията и уменията, които имат учениците, както и с възрастовите им особености. За успешно извършване на експерименталната работа е необходимо да се дадат подходящи указания за подготовката и провеждането на опита. След приключването му важно методическо изискване е да се осъществи анализ на получените резултати и да се формулират обобщения.
Техниката на изпълнение включва правила за успешна и безопасна работа с веществата и лабораторната техника и опазване на околната среда. Изискванията за техниката на провеждане налагат подбор на опити и предварително изпробване на техническите им качества в лабораторни условия.
Посочените изисквания се използват по-нататък като база за изследване качеството на предложените експерименти.
Във връзка с изискванията към учебния експеримент са подбрани и разработени опити, които илюстрират причините за засилване на парниковия ефект на Земята. За всеки от опитите е създаден работен лист, в който е отразена методическата последователност при провеждане на експериментите - цел на опита, място в учебното съдържание по химия, необходими вещества и материали, опитна постановка, наблюдения и разсъждения върху опита, изводи.
За обогатяване на екологичната култура на учениците опитите се коментират с акцент върху следните проблеми: източници на замърсяване на въздуха с „парникови" газове, последствия за околната среда от засилване на парниковия ефект, пътища за ограничаване количеството на „парниковите" газове в атмосферата и др. Поставянето на фокус на тези акценти при изпълнение на експериментите може да разшири представата на учениците за връзката на химията с устойчивото развитие на човечеството и на средата, която то обитава.
Поради ограничения обем на статията, в приложение са представени само някои от разработените опити.
Качествата на предложените учебни експерименти са изследвани по два начина - чрез експертна оценка (априорен анализ) и на основата на емпирични данни (апостериорен анализ). Априорният анализ е извършен от 26 експерти (студенти-бъдещи учители по химия), които изпълняват опитите в лабораторни условия - в упражненията по дисциплината Методика и техника на учебния експеримент по химия. Експертите оценяват качествата на опитите по показатели, необходими за определяне на техните методически и технически характеристики (табл. 1).
Таблица 1. Показатели за експертна оценка на опитите
Показатели за оценяване на методическите характеристики на опита Точки
1. Ясно формулирана цел на опита. -1 0 1
2. Логическа връзка между опита и конкретно учебно съдържание. -1 0 1
3. Точно описание на необходимите за опита реактиви, съдове, апаратури. -1 0 1
4. Подходящи указания за провеждане и за наблюдение на опита. -1 0 1
5. Анализ на получените резултати и формулиране на изводи. -1 0 1
6. Възможност за обсъждане в хода на експерименталната дейност на информация, свързана с последствията за околната среда от засилване на парниковия ефект, начините за намаляване концентрацията на „парниковите" газове в атмосферата и др. -1 0 1
7. Възможност за обогатяване на екологичната култура на учениците (на системата от екологични знания и умения и ценностни отношения към околната среда). -1 0 1
8. Провокиране на познавателната активност и самостоятелност на учениците (за проучване на допълнителни литературни източници, за изпълнение на други опити по темата и др.). -1 0 1
Показатели за оценяване на техническите характеристики на опита
9. Безопасност на опита. -1 0 1
10. Видимост на явленията и процесите, които протичат. -1 0 1
11. Добре подбрано количествено съотношение на веществата. -1 0 1
12. Подходяща концентрация на веществата. -1 0 1
13. Подходящи условия, при които се провежда опита. -1 0 1
14. Достъпност на използваните вещества и материали. -1 0 1
15. Несложна опитна постановка. -1 0 1
Използва се оценъчна скала, в която: +1 означава, че опитът отговаря на съответния показател; 0 - експертът не може да прецени категорично дали опитът отговаря на показателя; -1 - опитът не отговаря на показателя.
Опити с оценка под 10 точки и неотговарящи на първите десет показатели имат лошо качество и не могат да се използват за експериментална дейност в процеса на обучение по химия. Опити с 10 или 11 точки, които задължително отговарят на първите десет показатели, имат добро качество и могат да се използват за онагледяване на учебния процес. Опити, оценени с между 12 и 13 точки, са с много добро качество, а тези с 14 и 15 точки - с отлично качество.
От предложените за оценка опити са подбрани само тези, които са с много добро и с отлично качество. Останалите опити са преработени или са елиминирани.
Ефективността на разработените експерименти за повишаване на екологичната подготовка на учениците е доказана чрез педагогически експеримент. За измерване и оценяване на постиженията на учениците е създаден дидактически тест. Последният, както и статистическото изследване и интерпретацията на резултатите от апостериорния анализ ще бъдат представени в следваща публикация.
Заключение
В заключение трябва да отбележим, че подбраните и разработени варианти на опитни постановки не изчерпват цялата гама от възможности за онагледяване на процеса на обучение по химия. Необходимо е за всеки конкретен случай да се търси най-оптималния вариант, който не само развива познавателните интереси на учениците, но и обогатява тяхната екологична култура.
Приложение
Описание на опита „Въздействие на въглеродния диоксид СО2 върху парниковия
ефект на Земята"
Цел на опита: да се сравнят температурите на въздуха и на СО2 при достигане на динамично температурно равновесие на газовете с околната среда.
Място на опита в учебното съдържание по химия: при изучаване на IVA група на периодичната система в 9. клас.
Необходими вещества и материали: пластмасова бутилка от минерална вода (3 l), термометър, лампа с абажур и електрическа крушка от 100 W, натриев хидрогенкарбонат NaHCO3 (сода за хляб), оцет, колба с обем 500 cm3, тапа, свързана с газоотводна тръбичка.
Опитна постановка:
Вариант I. Горната част на суха пластмасова бутилка от минерална вода (3 1) се отрязва. На няколко сантиметра от дъното на бутилката, през нейната стена се промушва термометър (цифров или живачен). Над съда се поставя лампа с рефлектор с мощност 100 W. Въздухът в бутилката се нагрява, докато показанията на термометъра се стабилизират, т.е. докато системата достигне динамично температурно равновесие с околната среда. Отчита се температурата на въздуха в бутилката.
След това без да се размества опитната постановка бутилката се запълва с СО2. Той се получава, като в колба с обем 500 cm3 се поставят около 10 g натриев хидрогенкарбонат NaHCO3 и 250 cm3 оцет. Колбата се затваря с тапа, през която минава газоотводна тръбичка. Нейният край се поставя в пластмасовата бутилка. Изчаква се около 10 min, за да се запълни максимално съдът с СО2 (проверка със запалена клечка кибрит).
Бутилката с СО2 се нагрява с лампата, докато показанията на термометъра се стабилизират, т.е. докато системата достигне второ динамично температурно равновесие с околната среда. Отчита се температурата на СО2 в колбата.
Наблюдения и разсъждения върху опита:
След запълване на съда с СО2 се наблюдава бързо повишаване на температурата. Например, при едно от измерванията е отчетена температура на въздуха 42,8°
Газ О c C
Въздух 0-400 0,24 7,0
СО2 0-600 0,245 10,8
Забележки:
- Горната част на бутилката може да не се отрязва, за да остане по-дълго време СО2 в
нея.
- При запълване на бутилката с СО2 трябва да се внимава в нея да не попадне разтвор или пяна. Това може да се случи, ако в колбата са поставени големи количества сода за хляб и/или оцет.
- При изпълнение на опита не трябва да се допуска пряко слънчево греене и въздушно течение.
- Активната част на термометъра може да се засенчи, за да не се нагрява директно от лампата.
- За получаване на СО2 са подходящи и други вещества - динатриев карбонат Na2CO3, дикалиев карбонат K2CO3 или калциев карбонат СаС03, мрамор, тебешир, на които се действа с различни киселини (солна киселина HCl, сярна киселина H2SO4, азотна киселина HNO3, винена или лимонена киселина).
Вариант II.
Две пластмасови бутилки от минерална вода с вместимост 3 1 се запълват съответно с въздух и с СО2. В долната част на бутилките се промушват термометри за отчитане изменението на температурите на газовете. Над всяка от бутилките се поставя лампа. Газовете се нагряват до получаване на постоянни стойности на показанията на термометрите.
Отчитат се и се сравняват температурите на въздуха и на СО2.
Вариант III.
В реалния парников ефект участват водата, почвата, живите организми и други, които абсорбират слънчевата енергия и излъчват обратно част от тази енергия. Участието на компонентите на околната среда в парниковия ефект може да се имитира, като се използва цветна хартия. Тя трябва да бъде тънка, с незначителен топлинен капацитет, за да изисква малко време за нагряване. Матовата черна хартия е най-подходяща, но от друга страна зелената хартия наподобява природата. Хартията трябва да бъде достатъчно голяма, така че да обхваща цялото лъчение, влизащо в съда.
Два термометъра се поставят на еднакво разстояние (10 cm) от лампа. Единият термометър се оставя открит на въздуха. Другият се поставя в плътно затворена с тапа епруветка. През тапата е промушен термометър. Предварително в епруветката е сложена тънка зелена хартия, която прилепва към вътрешните стени на епруветката и покрива термометъра. Показанията на термометрите се отчитат и се сравняват през определен интервал от време (напр. 1 min). В началото на опита показанието на термометъра, оставен на открито, се покачва бързо, а показанието на термометъра в епруветката почти не се променя. Това се обяснява с факта, че за нагряване на стъклената епруветка е необходимо повече време.
След около 5 min се установява значима разлика в показанията на термометрите - на термометъра на открито е отчетена температура 29,6°С, а на термометъра, засенчен от зелената хартия в епруветката - 37,8°С.
Литература:
Ангелачева, А. (2006). Методика и техника на учебния химичен експеримент. Част I. Пловдив: УИ „Паисий Хилендарски".
Ангелачева, А. & Гергова, Е. (2011). Екологично образование в процеса на обучение по химия. Пловдив: УИ "Паисий Хилендарски".
Близнаков, Г. & Митов, И. (2001). Въведение в химичните проблеми на околната среда и в екологичното право, стандартизация и мониторинг. София: Акад. изд. „Проф. М. Дринов".
Близнаков, Г., Боянова, Л., Соколова, А. & Рибарска, П. (2002). Химия и опазване на околната среда 9. клас. Профилирана подготовка. София: Анубис.
Киселев, С. (2004). Демонстрация парникового эффекта. Физика в школе, 8, 48-50.
Назаренко, В. & Н. Лучинина. (1993). Школьный химический эксперимент в экологическом образовании. Химия в школе, 6, 47-53.
Перельман, В. (1955). Краткий справочник химика. Москва: Государственное научно-техническое издательство химической литературы.
Rakoczi, F. & Ivanyi, Z. (1999-2000). Water vapour and greenhouse effect. Geofizika, vol. 16-17, 65-72.
Se-yuen Mak. (1997). The Greenhouse-еífect еxperiment. The Physics Teacher, vol. 35. 504505.
