Školní fyzika v environmentálním kontextu

Jindřiška Svobodová, Jiří Vyleťal

Úvod

Požadavky environmentálního vzdělávání jsou dnes v obecné rovině zahrnuty do vzdělávacích programů škol všech stupňů. Environmentální výchova EV ve školním programu může figurovat jako samostatný předmět, může být integrována do jednotlivých vzdělávacích oblastí nebo pojednána v rámci projektů. Očekávané výstupy tohoto průřezového tématu tedy vzdělávací obsahy jsou výrazně osobnostně a sociálně orientované a výčet kompetencí vydá na mnoho stránek textu /1/. Nyní jde o smysluplné naplňování těchto, poněkud zvláštních, požadavků a ukázat si náměty, jak může předmět jako je fyzika k tématu přispět rozvíjet. Klasické učebnice environmentalistiky pro ZŠ a SŠ asi nikdy nebudou k dispozici a to nejen proto, že než by vyšly, bude třetina údajů zastaralých, ale hlavně pro to, že jádrem reformního výstupu je něco jiného systematizace poznatků a získávání souboru faktů.

Motivace a zdroje

Jde o to, že v rozporu mezi člověkem a prostředím se dnes promítá i hlubší rozpor našeho vztahu ke skutečnosti [3]. Ve školních enviropředmětech nejde o propojení rozptýlených poznatků do celku vědění, který je beztak stále otevřený, ale o cestu konkrétních praktických aktivit, jež mohou studentům přiblížit na dané věkové úrovni potřebné kompetence.

Pro věcnou informovanost slouží standardní učebnice, které jsou k dispozici jen k ekologii a jednotlivým dotčeným předmětům. K učebnici [2] vytváříme sbírku úloh, aktivit a příklady na využití, která bude do konce roku v 1. verzi dostupná na portálu MU ŠVP http://svp.muni.cz a na rozcestníku Projektu EnviWIKI http://www.czp.cuni.cz/enviwiki/, který má podpořit environmentální gramotnost.

V mezinárodních srovnávacích výzkumech prokazují čeští žáci dobré vědomosti, avšak mají problémy ve spolupráci a tvořivém myšlení. Tomuto stavu odpovídají priority výuky. Společnost potřebu změn ve vzdělávání nepociťuje. Všechny výzkumy veřejného mínění ukazují, že čeští dospělí všech věkových kategorií jsou se vzděláváním na našich školách spokojeni. Oceňují důraz na vědomosti i kázeň a pořádek a od školy očekávají, že připraví žáky na další stupeň škol. Chtějí, aby škola zůstala taková, jakou ji zažili oni. Škola je pojímána jako příprava na život, „ve kterém musíme také čelit mnoha nepříjemnostem“.

V UNESCO byl přijat pro environmentální vzdělávání koncept tzv. čtyř pilířů http://www.unesco.org/delors/fourpil.htm, odpovídající zhruba klíčovým kompetencím:

- učit se poznávat, tzn. osvojovat si nástroje chápání světa a rozvíjet dovednosti k učení se;

- učit se jednat, tzn. naučit se tvořivě zasahovat do svého životního (přírodního i společenského) prostředí;

- učit se být, tzn. porozumět vlastní osobnosti a jejímu utváření v souladu s morálními hodnotami;

- učit se žít s ostatními, tzn.umět spolupracovat s ostatními, a moci se tak podílet na životě společnosti, nalézt v ní své místo.

V návaznosti na vzdělávací oblasti RVP ZV lze členit obsah EV podle kritérií:

1. výchova (resp.vzdělávání) o životním prostředí (vědomosti)

2. výchova pro životní prostředí (hodnoty, postoje)

3. výchova prostřednictvím životního prostředí (zkušenost, dovednosti)

Pro EV je vhodná zkušenostní orientace výuky. Učitel vytváří situace, v nichž se mohou uplatní vlastní činnosti žáků – nákresy, manipulace s předměty, pozorování přírodních a společenských jevů, experimentování, řešení problémů, hra, diskuse o konfliktech, které kolem sebe vidí atd. Orientace na činnost zamezuje oddělení světa ve škole od ostatních životních situací.

Předávání poznatků slovy je sice pohodlné a užití hotových schémat, modelů, obrazů šetří čas, ovšem v EV ochuzuje o autentické zážitky a zprostředkované pozorování života stává návykem. Taky je vhodné někdy časově upřednostit princip prožitku před zdůvodněním, pochopením, racionálním vysvětlením. Přijme-li žák určitou hodnotu tímto emotivním způsobem, lze očekávat, že časem sám bude pátrat po racionálním zdůvodnění.

EV a fyzika

Pro život na Zemi je dobré rozumět toku sluneční energie, tomu, jak pohání velké koloběhy, ze kterých všechny živé organismy získávají svůj stavební materiál - koloběhy vzduchu, vody a půdy. Tato energie a materiály se spolu kombinují na různých místech a v různých dobách na povrchu. Tyto procesy daly vzniknout různým společenstvům, jejichž obyvatelé jsou spolu navzájem v neustálých vzájemných vztazích, jak uspokojují svoje vlastní potřeby energie a materiálu. A v rámci toho dochází k neustálým změnám. Organismy mění jeden druhý, mění svoje prostředí a jejich prostředí zase mění je.

A tak základní funkce života na Zemi vysvětlují čtyři klíčové pojmy: tok energie, koloběh materiálu, vzájemné vztahy živých organismů a změny forem. Na ně se musíme zaměřit, když chceme vysvětlit celkový obraz života na planetě Zemi.Většina lidí nerozumí tomu, co pro ně přírodní procesy znamenají v jejich vlastním životě, přestože se o tom ve škole učili. Nikdy to ale nevstřebali do vlastního života.

ZŠ fyzika dává nástroje, jimiž lze analyzovat lidské činnosti z hlediska jejich skutečné spotřeby energie a materiálu. Je dobré se nezaměřit na obecné problémy, ale spíše na náš konkrétní životní styl. Úkolem nemá být učit o povaze environmentálních problémů a jejich důsledcích, ale o tom, jak funguje život a o tom, jak a proč mohou a měly by učinit změny ve svém vlastním životním stylu.

Učitel fyziky má jedinečnou možnost, aby přispěl k všeobecné „envirogramotnosti“. Např. tím, že vysvětluje praktický význam řady fyzikálních zákonitostí, s nimiž jsme denně konfrontováni. Dokáže přiblížit vědecký přístup včetně pečlivého pozorování a experimentu, proměřování světa. Běžně pracuje s hypotézami, s pochybnostmi o předpokladech a jejich korekcemi, jak to vyžadují nová fakta, a s uvědomováním si mezí. Tento metodický způsob kritického uvažování a konání je použitelný pro každého jedince obecně při řešení problémů.

Výuka fyziky je rovněž příležitostí k poznatku, že je zapotřebí jisté opatrnosti v úvahách, neboť věda rozumí jen malé části světa. Člověk nemá právo porušovat rovnováhu, stabilitu a integritu systému. (Viz ekologické katastrofy [4].) V přírodě má vše své místo a svůj význam nejen pro svou krásu, ale také proto, že pomáhá svým dílem chránit rovnováhu. K dosažení harmonie mezi člověkem a prostředím je ovšem třeba odmítnout hodnotový systém konzumního způsobu života.

Demonstrační pokusy, experimenty, pozorování a vyhodnocení získaných údajů je tradiční doménou fyziků, námětů pro školní účely díky šikovným lidem stále přibývá viz. Sborníky z Veletrhů nápadů.

Hlavní potíže s přírodou

Globální problémy byly oficiálně vymezeny OSN 1972 ve Stockholmu (kráceno):

• nebezpečné odpady plynné, tekuté a tuhé (toxické, radioaktivní) ;

• narušení životodárných planetárních systémů, jako např. hydrologického cyklu, stratosférické ozónové vrstvy, klimatického systému atmosféry a oceánu;

• globální problémy spojené s atmosférou:

• zvýšený skleníkový efekt

• narušení ozonové vrstvy

• znečištění ovzduší – kyselé deště, prach aj;

• nadměrné čerpání neobnovitelných zdrojů i obnovitelných (voda, půda);

• poškození půdy, jako např. eroze půdy, získávání půdy kácením deštných pralesů

• globální ohrožení biodiverzity – genetické základny jednotlivých druhů rostlin a živočichů, počtu druhů i rozmanitosti ekosystémů.

Z výčtu je vidět, že téměř ke všem oblastem má fyzika co říci. Naším cílem je postupně lze vytvořit aktivity, které by ozřejmily tuto problematiku. Chceme přiblížit veřejnosti nejen možné scénáře vývoje a ukázali jim složitost a provázanost přírodních globálních problémů. Je třeba také vhodným způsobem informovat žáky o metodách vědecké práce, aby chápali princip kritického myšlení.

Řešení problémů je tvůrčí proces, který je neustále myšlenkově I prakticky kontrolován.Věda si pro něj vytvořila určitá pravidla a zásady. Existuje terminologie - pojmy, pomocí nichž vědci svá poznání sdělují. Vědci stanovují hypotézy (domněnky pro vysvětlení jevu), které pak musí být prokázány nebo vyvráceny prakticky, i poté jsou soustavně ověřovány. Média obvykle informují o skutečnostech obráceně, začnou emotivně a rozumový argumentační přístup má jen omezený prostor. Povšimněme si některých vědeckých metod pozorování a pokusů.

Metody pozorování a pokusů

Tyto metody vycházejí z každodenní praxe. Při pozorování si všímáme především toho, co je nové, ať už to napomáhá naší činnosti nebo ji brzdí. Běžné pozorování je obvykle neúplné. Vědecké pozorování má vymezený cíl, promyšlený plán postupu, užívá měřidla a jeho výsledky jsou zaznamenávány a dokumentovány. Vědecký pokus studuje zkoumaný jev v předem určených podmínkách, jež je možno opakovat a měnit, což značně urychluje poznání. Podle přesného popisu a podmínek pokusu mohou pak i jiní řešitelé (badatelé) pokus zopakovat a objektivně zkontrolovat.

Ukázka 1 – nástin vědeckého pozorování pro žáky 8. třídy:

Název: Vliv soli na teplotu bodu varu vody

Zadání projektu: Zjistit, zda se přidáním soli se změní bod varu vody

HYPOTÉZA

Přidáním jedlé soli do vody způsobí, že voda bude vřít při vyšší teplotě

Pomůcky:

Sůl,destilovaná voda, hrnce, odměrka, malá a velká lžička, teploměr nad 100 °C, míchačka, rukavice, bezpečnostní poučení

Postup:

Uveďte zvolené množství destilované vody do varu.Měřte teplotu vařící vody a zapisujte nejvyšší čtenou teplotu. Naberte odměřené množství soli /zarovnanou lžíci/. Přidejte do vroucí vody. Změřte teplotu vařící /tentokrát slané/ vody a zapište nejvyšší čtenou teplotu. Opakujte pro různá množství soli a zapisujte.

Zápis měření:

25.2.2005, Maruška, množství destil. 400ml, teploměr do 150 °C, polévková lžíce, sůl

Teplota varu destilované vody (kontrolní) 100,5 °C

Teplota varu vody po přidání soli

0 lžíce 100,5 °C

2 lžíce 102 °C

3 lžíce 103,5 °C

Záznam průběhu

Po přidání soli do vařící vody, voda začala více bublat a přestala chvíli vřít. Krátce na to opět se dostala do varu. Jestliže teploměr přesáhl ven z hrnce, žár z hořáku způsobil, že ukazoval vyšší teplotu. Je potřeba umístit teploměr šikovně.

Výpočty: Množství vody v kg : m = 400 g

Výsledky: Tabulka, graf

Závěr:

Je hypotéza pravdivá? Ano, z hlediska tohoto měření se potvrdilo, že přidání soli způsobí, že voda vře při vyšší teplotě. Pro úplné ověření je třeba zkoušet různá množství soli.

Další otázky:

Proč asi vám instrukce říkají, abyste sůl vkládali až do vroucí vody?

Ukázka 2 - Metoda dvojitého slepého pokusu pro žáky 8.ročníku. Používá se tehdy, má-li se vyloučit subjektivní faktor osob, které se zúčastňují pokusu. Vezme se skupina lidí např.se stejnou nemocí. Náhodně se rozdělí na dvě poloviny, z nich jedna se léčí a u druhé se léčení simuluje. Člověk, který vyhodnocuje výsledky, nesmí vědět, kdo byl a kdo nebyl léčen. Tak se dá dopracovat ke statisticky hodnověrnému výsledku.

Název: Čaj pro všechny

HYPOTÉZA

Na výslednou chuť čaje, má vliv mnoho vlivů jako množství čaje, teplota vody, délka vyluhovaní aj. Lze chuťově rozlišit dva stejné nálevy čaje, kdy všechny podmínky budou stejné a boudou se lišit pouze tím, že jeden zalijete o různé teplotě, např. 80 °C a 95 °C?

Kvalitní sypaný čaj, čajové náčiní, varná konvice, teploměr, konvička, malé kalíšky
Žáci připraví podle návodu čajové nálevy téhož druhu čaje do odlišných konviček za stejných podmínek jen jedni čaj zalijí vodou o nižší teplotě. Pověřená osoba utajeně označí oba zkoumané typy čaje, přelije je do jiných nádob např.termosek. Připraví se tabulka, do které žáci zaznamenají subjektivní vjemy nejlépe nezúčastněného okolí, zda se a jak liší čaj A a B.

Příklady a úlohy – ukázka ze sbírky SŠ

Jaký výkon musí mít FV elektrárna, aby ušetřila 60 tun emisí CO₂ za rok?

Úvahy:

množství ušetřeného CO₂ závisí na více faktorech;

- Významné je v jakém klimatickém pásmu je fotovoltaická elektrárna umístěna - tj. na době slunečního svitu, který je k dispozici. Rozdíly v množství slunečního záření jsou celkem významné např. v ČR dopadá na metr čtvereční denně v průměru 3,2 kWh solárního záření (tj. 1,2 MWh ročně).

- Záleží na účinnosti fotovoltaických článků. Fotovoltaické články z amorfního křemíku účinnost do 8 % z krystalického křemíku účinnost 15 – 18 %.

Fotovoltaická elektrárna s články z krystalického křemíku s instalovaným výkonem 1 kW umístěná v ČR získá za rok přibližně 0,94 MWh (lze si nechat online spočítat na adrese: http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pvestframe.php?en&europe ).

- Potom je třeba stanovit si jaký zdroj elektrické energie fotovoltaické články vlastně nahrazují. Pokud bychom je používali například na Islandu, kde je většina elektřiny vyráběna z obnovitelných zdrojů s prakticky nulovou produkcí emisí CO₂, pak pochopitelně neušetříme nic. Je tedy vidět, že na danou otázku neexistuje nějaká obecná, jednoznačná odpověď.

Pokud se omezíme na případ, kdy je FV elektrárna instalována v ČR a pokud by vyrobená elektřina nahrazovala energetické hnědé uhlí tak dojdeme k následujícím (přibližným) výsledkům: 60 tun CO₂ obsahuje 16,4 tuny uhlíku C – (60 * 12)/44 = 16,36

Hnědé uhlí užívané v elektrárnách má obsah uhlíku přibližně 50 %, tj. na produkci 60 tun CO₂ jej spálíme přibližně 33 tun.

Výhřevnost tohoto uhlí je přibližně 12 MJ/kg a účinnost přeměny energie uhlí na elektřinu je přibližně 30 %. Ze zmíněných 33 tun uhlí tak získáme 120 GJ, tj. 33 MWh elektrické energie.

Na získání 33 MWh za rok tj. na nahražení 60 tun emisí CO₂ ročně bychom tedy potřebovali instalovat výkon přibližně 35 kW tj. například 235 solárních panelů SI72-150 od firmy SOLARTEC v ceně 7 milionů korun (to už je docela velký systém).

Projektová výuka

Projekty obvykle probouzí zájem, na rozdíl od předmětového uspořádání učiva se látka soustředí kolem praktických činností, které jsou blízké reálnému životu. Navíc je zde obvykle kreativní volnost a možnost uplatnění pro všechny. Důraz je kladen na kooperativní práci. Zde je námět, který se v letošním roce setkal s největším ohlasem.

ŽIVLY – Oheň, země, voda, vzduch

Děti se během školního půlroku seznámily s živly, které jim dennodenně zasahují do života. Cílem byla i primární prevence, před různými nebezpečími, které mohou tyto živly přinášet., náplň byla mírně vedena směřuje k environmentální výchově. Bylo třeba spolu s dětmi sestavit společně časový plán a rozmyslet (brainstorming) a rozebrat si vše tak, aby všichni přidělenými úkoly souhlasili.

Výstupem byla řada modelů, poster se základními koloběhy, ručně psané texty a kreslené mapy i dramatická scénka Souboj živlů. Evaluace proběhla před rodiči.

Závěr

Mezi vize pro 21. století náleží příprava pro život v harmonii s přírodou. Fyzika zde jistě má co říci, neboť bez racionální roviny poznání, bez proporcionálního odhadu nelze uvážlivě rozhodovat.