Концепция экологизации физики

Концепция и принципы интеграции физики с науками об ок­ружающей среде следуют и из предыдущего обсуждения, из за­дач физического и экологического образования и места этих наук в развитии общества.

• Физика исторически сформировалась как наука о явлениях и процессах природы, природной среды, состояние которой оп­ределяется набором физических параметров и факторов. Одна­ ко, объектом изучения являются в основном идеализированная среда и локализованные явления в модельном приближении. Ре­альная же среда и явления подвержены множеству факторов, и в том числе антропогенному.

• Физика как теоретическая и экспериментальная база техноло­гий оказалась как бы в начале антропогенного давления на при­роду. С одной стороны, она обеспечивает развитие техничес­ кого прогресса, с другой - техника, созданная на базе дости­жений физики, деформирует и разрушает окружающую среду.

• Контроль за состоянием окружающей среды обеспечивается системой мониторинга. В основе этой системы лежат физичес­кие, инструментальные и аналитические методы.

• Достижения физики служат основой совершенствования существующих и создания новых (альтернативных) технологий, бази­рующихся на рациональном использовании природных ресурсов.

Экология сформировалась как наука о взаимодействии организ­ мов с окружающей средой. Социальная экология включает в это взаимодействие человеческое общество. Среда характеризует­ся абиотическим, биотическим и антропогенным факторами. К абиотическим факторам относятся: температура, давление, гравитационное и электромагнитное поля, освещенность, влаж­ность, радиоактивный фон, шумы и вибрации и т.п. Эти фак­торы являются традиционным объектом изучения физики. В ан­тропогенный фактор также входят многочисленные физические явления искусственного происхождения.

• Большая часть явлений в организмах имеет физическую при­роду, будь то зрение или ионный обмен в клеточной мембране.

• В основе экологического образования через физику (или экологизации физики, кстати, понятие, которое не нравится некоторым физикам) должны быть понятия и законы фундаментальной эко­ логии, особенно такие, как понятие устойчивости биосферных процессов и экосистем, понятие о циклах (круговоротах) веще­ства в природных процессах, распределение вещества и энергии в трофических цепях.

• У физики и экологии есть общие объекты исследования. Од­ним из них является среда. Физическая среда может быть га­зообразной, твердой, жидкой и полем. Среда является самосто­ ятельным объектом исследования физики и фоном, на котором происходят различные явления.

• Для экологии среда - это место обитания живых существ, оп­ределяемое физическими параметрами, источник ресурсов для существования. Животные и среда взаимосвязаны и взаимозави­симы. Устойчивость среды является главным фактором жизни. Связи, объединяющие физику и экологию через понятие «среда», можно представить в виде схемы (рис. 2).

Рис. 2. Взаимоотношения физики и экологии

Такая интеграция физики и экологии будет «работать» как на реализацию целей и задач экологического образования, так и на улучшение качества физического образования за счет повышения интереса к изучению физики, содержащей новый (экологический) материал.

Цели и задачи экологизации преподавания физики

Цели и задачи экологического образования в общем и целом известны. Их конкретизация зависит от местных условий и спе­цифики преподаваемого предмета. Цель педагогического универ­ситета (института) - подготовить учителя физики к экологичес­кому образованию учащихся через свой предмет. Цель учителя фи­зики - внести свой вклад через свой предмет в формирование экологической культуры учащихся, в выбор будущей профессии.

Конкретные задачи преподавания физики в проблеме устойчи­вого развития состоят в том, чтобы сформировать у учащихся (сту­дентов) следующие представления, знания и умения:

• о взаимосвязи явлений в природе и их изменении под влиянием человеческой деятельности, умение находить причинно-следственные связи;

• о механизме действия антропогенного фактора на природные явления, о физических методах моделирования и прогнозиро­вания результатов такого воздействия;

• о роли физики в совершенствовании существующих и созда­нии новых альтернативных технологий на основе рациональ­ного использования природных ресурсов;

• о физических методах защиты окружающей среды от загряз­нения выбросами техносферы и быта;

• умение наблюдать природные явления, анализировать их;

• оценивать влияние на них человеческого действия, измерять параметры состояния среды, определять характеристики про­цессов в окружающей среде, моделировать физические явления; находить методы ресурсосбережения и защиты окружающей среды, делать выводы и принимать решения.

Принципы экологического образования

Цели и задачи экологического образования при изучении фи­зики (или, как чаще стали говорить в последнее время, образова­ния в области окружающей среды) и технология их реализации со­гласуются с общими принципами экологического образования.

Обсуждая особенности экологического образования в препо­давании физики, особо следует выделить принципы междисцип-линарности, целостности окружающей среды, единство гло­бального мышления и локального действия и непрерывности.

Принцип целостности окружающей среды довольно нов для физического образования, так как в основе физического анализа и изучения заложен принцип или метод редукционизма, характер­ный для многих научных дисциплин. Этот метод основан на вы­делении в системе ее составных частей и их исследование как изолированных объектов. Как показал опыт развития физики, для неживых систем и объектов или довольно простых (по сравнению с биосферными), как, например, молекула, этот метод работает хорошо.

Для понимания действия больших, к тому же открытых сис­тем, этот метод применим плохо. Необходим системный подход или использование принципа системного подхода. Биосферные системы плохо анализировать в виде отдельных частей. Так, в си­стеме атмосфера - поверхность изолированный анализ отдельных частей не дает правильного результата при их сложении.

Принцип междисциплинарности требует не просто введения отдельных аспектов или фактов, а знания учителем физики основ экологии, ее законов, понятий, глобальной экологической ситуа­ции и причин ее изменения. Опыт показал, что изучение предметно ориентированной экологии физиками не вызывал у них реакции отторжения. Принцип непрерывности предполагает использование избранной ориентации, в нашем случае экологической, в течение всего процесса обучения, спецкурсы не заменят последовательного изучения.

Содержание экологически ориентированной физики

Физическое образование и его содержание не может не отклик­нуться на изменение социального заказа мирового сообщества на границе двух столетий. Этот заказ дан в Повестке 21 и определя­ется как устойчивое развитие. Этот отклик отражается в измене­нии содержания, методов и форм обучения.

В содержании физики школы и университета можно выделить две основные составляющие: 1) фундаментальная основа (ядро), отражающая прогресс физической науки; 2) прикладная часть (оболочка), отвечающая социальному заказу общества. Если пер­вая часть мало зависит от социальной конъюнктуры, то приклад­ная часть - ее прямое отражение. Так, например, содержание учеб­ников физики предшествующих десятилетий в прикладной и иллюстративной части четко ориентировано на обеспечение науч­но-технического прогресса. Это отвечало принципу политехниз­ма в физическом образовании, введенного известным физиком-педагогом и автором популярных учебников А.В. Перышкиным. Согласно этому принципу от учителя физики требовалось в каж­дое занятие введение политехнического материала.

По учебникам физики (да и не только физики) можно просле­дить, как изменялось их содержание согласно изменению направ­ления вектора социально-экономического развития в стране.

В физике такие изменения больше всего отражаются в при­кладном и иллюстративном аспектах. Если условно относитель­но времени разделить физику на две части, XX столетие и XXI столетие, то изменения в прикладном аспекте можно предста­вить следующим образом:

Объект изучения

Техносфера

Прикладной аспект

Обеспечение научно-технического прогресса

Техносфера в единстве с биосферой

Физические явления в биосфере с влиянием антропогенного фактора

Обеспечение

устойчивого

развития

Обеспечение устойчивой окружающей среды

Рис. 3. Объект изучения физики в XX и XXI вв.

Появление концепции устойчивого развития расширяет возмож­ности участия физики в экологическом образовании. Развитие физического образования с ориентиром на экологическое часто ассоциируется с биологией и поэтому вызывает неприятие у час­ти преподавателей физики. Установка на участие физики в про­блеме устойчивого развития и устойчивой окружающей среды сохраняет задачи экологического образования, но имеет другой оттенок. Понятие среда предполагает интеграцию с геофизикой, понятие устойчивость - характеристика многих физических яв­лений, все это выглядит для учителя физики более привлекатель­но и приемлемо.

Отбор вводимой экологической информации в курс физики является важным и ответственным этапом. Он требует специаль­ных знаний и чувства меры, особенно в условиях сокращения учебного времени на изучение физики.

Важным компонентом в содержании экологической подготов­ки любого специалиста, в том числе и учителя физики, должно быть знание основ фундаментальной экологии (требует же от всех студентов, всех специальностей, знания основ теории относитель­ности курс «Концепция современного естествознания»). Экологи­ческие аспекты, эмоциональные и драматические факты наруше­ния окружающей среды, обширная статистика не заменят научных основ экологии. Здесь компромисса быть не должно, так как пре­подавание на недостаточном профессиональном уровне может привести к неприятию учащимися предмета.

Основой для введения элементов экологии в физику может быть включение таких тем, как:

• учение о биосфере и ноосфере;

• эволюции живых существ и их влияние на формирование ок­ружающей среды, атмосферы, климата, ландшафтов, ресурсов;

• понятие об экосистемах, экологических факторах, экологической нише, законах толерантности, минимума, сукцессии, рас­пределении вещества и энергии в трофических цепях;

• циклические процессы в природе (круговорот воды, кислоро­да, углерода, микроэлементов), роль солнечной энергии в них;

• распределение потоков энергии в биосфере;

• потребление природных ресурсов в природных экосистемах и человеческим обществом;

• влияние антропогенных факторов на процессы в биосфере, на организмы и экосистемы, на биологическое разнообразие;

• устойчивость экосистем и биосферы и антропогенный фактор.

Устойчивость. Понятие устойчивой окружающей среды и ус­тойчивого развития, вероятно, станет ключевым в экологическом образовании и в обучении физике, например, в ряде разделов и тем.

Механика. Устойчивость движения, устойчивость глобальной системы ветров и морских течений, устойчивость конструкций под действием нагрузки, устойчивость пород под воздействием стати­ческих и динамических нагрузок, устойчивость кровяного давле­ния. Потеря устойчивости - нарушение равновесия в действии внешних или внутренних факторов.

Термодинамика. Равновесное состояние вещества и его усло­вия. Переходы вещества из одного агрегатного состояния в дру­гое. Понятие о механическом и термодинамическом равновесии. Равновесное, неравновесное и стационарное состояние термоди­намических систем. Устойчивость потоков энергии в биосфере. Геотермальные потоки энергии и устойчивость литосферных яв­лений. Равновесное состояние открытых систем - температурная авторегуляция животных. Устойчивость потоков энергии в трофи­ческих цепях. Устойчивость температурного режима атмосферы, литосферы, гидросферы.

Электромагнетизм. Устойчивость электрического и магнитно­го поля Земли, миграция магнитных полюсов и гипотезы о при­чинах. Атмосферные токи и их устойчивость. Электрические и магнитные поля живых организмов.

Оптика. Устойчивость излучения Солнца. Спектр Солнца за пределами атмосферы и на поверхности Земли. Окна прозрачно­сти. Солнечная постоянная. Радиационный баланс Земли и его ус­тойчивость. Влияние антропогенной деятельности на парниковый эффект.

Приведенные примеры вовсе не означают, что все эти темы должны войти в курсы физики. Даже если одна из таких тем бу­дет введена учителем школы или преподавателем университета в курс физики, это уже будет сдвиг в нужном направлении. Безус­ловно, согласно принципу непрерывности, в каждый из разделов физики нужно ввести некоторое (разумное) количество тем эко­логического содержания. Термин «разумное» использован в связи с фрагментарным введением экологических аспектов в школьные программы и с их полным отсутствием в программах физики пе­дагогических университетов (институтов). Пока введение таких тем - дело опыта и вкуса конкретного педагога.

Анализ существующих учебных планов, программ и учебников по физике показывает, что экологический аспект в учебный про­цесс вводится очень еще скромно, в основном на школьном уров­не, где во вводной части программ обращается внимание на важ­ность экологических вопросов, а в учебниках рассматривается материал по воздействию на окружающую среду тепловых двига­телей и энергетических установок. В программах, разработанных для школьной физики в последние годы, есть темы: Человек и при­рода, Агрегатные переходы в природе, Тепловые явления и эко­логия, Экологические проблемы, Наука и будущее человечества. Это полезный сдвиг физического образования в школе в сторону экологических проблем. Однако предлагаемые темы ориентирова­ны прежде всего на охрану окружающей среды.

Физика педагогических университетов и институтов в этом направлении отстает от школы: ни в одной из программ по общей и теоретической физике, методике преподавания физики, программ родственных с физикой дисциплин - астрономии, электротехни­ке, радиотехнике, технологии материалов - нет вопросов эколо­гического характера. В 1996 г. был опубликован Проект стандар­та по физике для средней школы, куда автором были введены воп­росы экологического содержания. Введение экологических аспектов в физику школы и университета не является простым делом. Это требует от разработчиков учебных планов и программ, от преподавателей новых знаний, изменения стереотипов мышле­ния и практики преподавания, разработки новых методик, курсов, пособий и т.п. Таких преподавателей нужно готовить.

В качестве ориентира по введению в физику вопросов с эколо­гическим содержанием можно воспользоваться списком проблем, находящихся на стыке физики, экологии и техники.

1. Физика атмосферы, гидросферы и литосферы и влияние антропогенного фактора на процессы в этих системах. Физичес­кие процессы в системе атмосфера-поверхность, атмосфера-океан, океан-суша.

2. Обмен энергией в системе Земля - Космос. Радиационный ба­ланс Земли и его изменение.

3. Энергетика биосферы. Круговороты вещества в природе, большой и малый циклы, влияние на них человеческой деятельно­сти. Распределение энергии в трофических цепях.

4. Физика процессов в биосистемах и их нарушение внешним воздействием.

5. Учение В.И. Вернадского о человеческом факторе как новой геологической силе и о преобразовании биосферы в ноосферу.

6. Физика - основа технических наук и современной научно-технической революции - инструмент и оружие в отношениях с природой.

7. Физико-экологические аспекты энергетики, производства, транспорта.

8. Истощение природных ресурсов - стимул к развитию новых направлений в науке и технике.

9. Физические методы наблюдения за параметрами окружающей среды.

10.Физические основы действия очистных аппаратов и сооружений.

11.Методы физического и математического моделирования природных явлений.

12. Прогнозирование изменений в окружающей среде с использованием моделей.

Не менее сложный вопрос - определение объема экологичес­ки ориентированных знаний, вводимого в физическое образование. Здесь трудно дать какие-либо конкретные рекомендации. Это за­висит от временных возможностей конкретного раздела физики, опыта преподавателя, его научных склонностей. Очевидно, что в ближайшие годы этот объем не может быть большим из-за недо­статка времени, недостаточной готовности преподавателей физи­ки к такой работе.