Интеграция системы высшего образования Казахстана в мировое образовательское пространство — один из долговременных стратегических приоритетов. Его реализация требует масштабных реформ в образовании, как среднем, так и высшем, которые предусмотрены: в Законе «Об образовании» РК [1], Государственной программе развития образования РК на 2005-2010 гг. [2], Концепции развития образования РК до 2015 г. [3] и других нормативных актах.
Новые концептуальные подходы предполагают развитие таких школ и вузов, которые сумеют эффективно влиять на позитивное социально-экономическое продвижение общества. В них главный акцент делается на развитие личности, ее мышления в эмоционально-эстетической, волевой, интеллектуальных сферах, на раскрытие творческого потенциала человека, его политической социализации, качеств, которые должны проявляться в любой сфере его профессиональной деятельности.
Обратимся к целям и задачам, обозначенным в Государственной программе развития образования РК [2]:
- обновление содержания и структуры образования;
- совершенствование учебно-методического и научного обеспечения образовательного процесса;
- интеграция образования, науки и производства;
- усиление экологической подготовки обучающихся;
- внедрение новых педагогических, информационных технологий;
- повышение социального статуса педагогических профессий и др.
От решения каждой из них зависит достижение конечных обобщенных целей, важнейших приоритетов новой образовательной политики РК, а именно:
- повышение качества обучения и воспитания учащихся;
- соответствие системы образования стратегическим планам социально-экономического развития страны.
Формирование мотивации учения сейчас в центре внимания почти всех педагогов. Мотив — движущая сила деятельности, следовательно, мотивация и стимулирование познавательного интереса должны стать ведущей идеей в учебно-воспитательной деятельности любого педагога.
Именно интерес — наиболее действенный мотив учения. Важным средством пробуждения интереса является использование приемов занимательного изложения учебного материала. Занимательность усиливает сосредоточение внимания и эмоциональность восприятия информации, способствует запоминанию.
Существует немало приемов интересной подачи учебного материала, изучаемого в физике [4, 5]. Наиболее важными и распространенными из них нам представляются следующие:
- примеры из повседневной жизни;
- политехническая направленность;
- неожиданные сопоставления;
- использование МПС;
- экскурсия в историю науки;
- значимость в будущей профессиональной деятельности и др.
Познавательный интерес определяет положительное отношение обучающихся к обучению в целом и к изучению отдельных предметов в частности. Если педагогу удается пробудить интерес к своему предмету, то создаются предпосылки для самостоятельной творческой работы учащихся — главной цели образовательной политики.
Приняв во внимание все изложенное выше, обоснуем возможности эффективной реализации конкретных целей и задач новой образовательной политики Республики Казахстан на уровне учебного предмета физики, а именно обновление содержания и усиление экологической подготовки учащихся. Обе задачи выделяются нами при изучении темы курса общей физики «Ядерные реакции. Атомная энергетика». Обновлением содержания является включение в эту тему схемы ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) и обсуждение вопроса: «Атомная энергетика, за и против». Кроме того, каждый этап ЯТЦ отмечен наиболее характерными для него факторами воздействия на окружающую среду, т.е. обоснована и экологическая составляющая.
Предлагаем к рассмотрению содержание дополнительного фактического материала к указанной выше теме [6].
Ядерно-топливный цикл и проблемы экологии
Ограниченность ресурсов ископаемого органического топлива и проблемы охраны окружающей среды ставят человечество перед необходимостью поисков, освоения и развития альтернативных источников энергий. Особого внимания требуют проблемы развития атомной энергетики, поскольку существуют различные, иногда диаметрально противоположные мнения по этому вопросу. Сравнение достоинств и недостатков тепловой и ядерной энергетики, проведенное специалистами, показывает сложность и неоднозначность оценок проблемы развития топливно-энергетического комплекса. Чтобы получить более полное представление о проблеме «ядерная энергетика и окружающая среда» и каждому выработать свою позицию, рассмотрим всю цепочку технологии получения ядерной энергии, т.е. ядерно-топливный цикл (ЯТЦ), его воздействие на окружающую среду и, в конечном счете, на человека (рис.).
ЯТЦ состоит из следующих производств:
♦ добыча урановой руды в руднике;
♦ переработка руды и получение урана в виде U3O8 на гидрометаллургическом заводе (аффинажном);
♦ конверсия U3O8 в газообразную форму UF6 (гексофторид урана), необходимую в технологии разделения изотопов;
♦ обогащение урана на заводе по разделению изотопов,
♦ конверсия UF6 в порошок иО2 и изготовление на заводе обогащенного топлива и твэлов, топливные таблетки;
♦ использование твэлов для получения энергии на АЭС;
♦ хранение отработавших твэлов в хранилищах на территории АЭС;
♦ транспортировка твэлов на радиохимический завод (РХЗ);
♦ переработка облученного топлива на РХЗ и обработка радиоактивных отходов; выделенный из топлива уран и плутоний возвращаются обратно в цикл;
♦ отправление на хранение радиоактивных отходов;
♦ транспортировка и захоронение радиоактивных отходов.
На рисунке дана схема открытого и замкнутого (с рециклами U, Pu) ЯТЦ для АЭС с реактором на тепловых нейтронах. В схеме около каждого предприятия буквенными обозначениями указаны наиболее характерные для них факторы воздействия на окружающую среду: Р, Т, Х — радиоактивное, тепловое, химическое; РЗ, РВ, РЭ — расход зеленой площади, воды, энергоресурсов соответственно.
Главным возражением противников ядерной энергетики является образование продуктов деления урана и плутония (их называют «осколками», так как ядро делится на части, образуя осколочные радионуклиды).
Продукты деления ядер
Продукты деления ядер классифицируются по периоду полураспада Т и виду излучения. Существуют короткоживущие и долгоживущие продукты деления. Короткоживущие имеют значения Т в диапазоне от нескольких секунд до десятка часов; примерно через 10 значений Т они практически полностью распадаются. Поэтому отработавшее топливо после его выгрузки из реактора необходимо хранить некоторое время в бассейне выдержки, имеющемся при станции, для снижения активности короткоживущих радионуклидов. При выдержке в течение одного года это может дать снижение активности примерно в 50 раз. После того как распадутся короткоживущие осколки, спад активности отработавшего топлива АЭС идет медленнее, примерно в 10-12 раз через 20 лет после выгрузки из реактора, из-за более медленного распада долгоживущих осколков. Поэтому больший интерес представляют именно долгоживущие осколки, наиболее опасные из них: стронций — 89 (Т=53 дня), стронций — 90 (29 лет), цирконий — 95 (6 дней), цезий — 134 (2,3 года), цезий — 137 (26,6 года), церий — 144 (284 дня) и др.
Сколько накапливается продуктов деления в отработавшем ядерном топливе реакторов АЭС? Их количество зависит от времени его нахождения в реакторе при номинальном уровне мощности, определяется в килограммах на 1т загруженного топлива и может достигать от 20 до 100 кг/т, в зависимости от типа реактора.
Зная эти цифры, а также массу ядерного топлива, выгружаемого в течение года, можно определить общее количество продуктов деления и их активность на любой момент времени после выгрузки из реактора, что позволяет определить продолжительность их хранения. Так, после облучения в реакторе в течение заданного времени ТВС (тепловыделяющие сборки) выгружаются из реактора (дистанционно, в автоматическом режиме) и передаются в бассейн выдержки, где устанавливаются в специальные пеналы и хранятся под слоем воды в течение примерно 10 лет, для снижения активности ядерного топлива, и затем перевозятся в специальных вагонах-контейнерах на радиохимический завод.
Не требует особого обоснования все возрастающая потребность в энергоресурсах современной цивилизации. Проблема ограниченности природных ресурсов требует поиска альтернативных источников энергии, их разработки и освоения. Перспективным для нашей страны, как нам представляется, может быть освоение ветроэнергетики, так как Казахстан богат ветровой энергией — это «экологически чистый», возобновляемый ресурс.
Через Северный, Центральный и Восточный Казахстан проходит главный ветровой пояс северного полушария Земли. Огромное пространство сибирского континента является в зимнее время естественным аккумулятором холода, тогда как европейский континент, обогреваемый мощным Гольфстримом, представляет нагревательную систему. Получается своего рода природная тепловая машина типа машины Карно. Холодный воздух Сибири вынужден двигаться по коридору, зажатый тяжелым холодным воздушным пространством полярного круга и воздушной подушкой Центральной Азии, прижатой к горным хребтам Алтая, Тянь-Шаня. И первый удар сибирской холодной массы воздуха испытывает Казахстан. На эту циркуляцию накладывается дыхание Арктики — вторая тепловая машина: Северный полюс — Центральная Азия.
Такое вступление служит стимулом познавательного интереса к теме «Закономерности движения жидкостей и газов», без знания которых невозможно освоение ветроэнергетики.
При решении проблемы освоения ветроэнергетики особый интерес представляют «Джунгарские ворота», ураганную скорость ветра (до 200 км/час) в которых мы обосновываем на основе уравнения Бернулли и закономерностей движения жидкостей и газов. «Джунгарские ворота» (физики сравнивают их с аэродинамической трубой) — это сравнительно небольшое плато длиной 80 км и шириной от 20 до 10 км, расположенное на высоте 500 м. Это межгорная долина, соединяющая две низменности — Алакульскую со стороны Казахстана и Эбинурскую в Китае, зажатая с двух сторон горными системами высотой до 3000 м.
Более точным является сравнение «Джунгарских ворот» с трубой Вентури [8], сечение которой на входе и выходе из трубы широкое, а в средней части ее длины заужено. В результате скорость течения на входе мала, давление же высокое, а в центральной части скорость высокая, давление же низкое.
При скорости ветра 200 км/час за 1 час с 1 кв.м можно выработать более 200 МВт энергии при КПД ветроэнергоустройства (ВЭУ) 0,4 [7]. Здесь следует отметить, что высокие скорости, порядка 100 км/час и выше, наблюдаются с осени до поздней весны, в летнее время наступает длительное затишье.
Подобные нововведения, раскрывающие практическую значимость изучаемой темы и обогащающие ее, не требуют особых интеллектуальных усилий или напряжения, поэтому легко и с интересом воспринимаются учащимися. В обобщающей теме «Фундаментальные физические теории» мотивация познавательной деятельности — это нововведение в содержании практических занятий — задания по расчету мировых «предельных» констант М.Планка — mp, p Tp и др., подчеркивающих значимость для научных исследований фундаментальных постоянных природы у, с, h .
Представляем фрагменты содержания практического занятия «Фундаментальные физические теории и расчет планковских констант».
Необходимые предварительные знания: начало классической механики, молекулярнокинетической теории и квантовой физики.
Теоретическая часть. По современным естественнонаучным воззрениям все объекты природы и сама природа в целом (т.е. Вселенная) подчиняются единым принципам эволюции. Это отражается в так называемых мировых (универсальных) константах, входящих в математические формулы законов природы. Комбинирование универсальных констант, т.е. объединение их в более сложные математические соотношения — один из путей углубленного познания природы. Такое комбинирование устанавливает взаимоотношения между различными фундаментальными законами. Например, между гравитацией и электромагнетизмом, относительностью и внутриядерными процессами и т.д.
Один из наиболее эффективных и перспективных подходов в «конструировании констант» получил название планковского, по имени ученого М. Планка, впервые применившего его в 1900 г. в теоретических расчетах квантов (т.е. минимальных порций) энергии элементарных частиц. Планков- ские константы, изучаемые в данной работе, как предполагают ученые, определяют границы применимости физической теории к явлениям объективного мира. Опытная проверка такого предположения является делом будущего [9].
И здесь же согласимся с Луи де Бройлем: «Таинственная постоянная h — великое открытие Макса Планка», понимая, что именно с гипотез М.Планка началось зарождение новой современной физики — физики микромира, квантовой (волновой) механики, раскрывавшей в свое время перед учеными невообразимую, фантастическую картину мироздания.
Список литературы
1 Закон РК «Об образовании» и Лиссабонская конференция 1997 года. — Алматы: Данекер, 2000. — 72 с.
2 Государственная программа развития образования в Республике Казахстан на 2005—2010 годы // Образование в РК.— № 1. — Астана, 2008. — С. 198-218.
3 Концепция развития образования Республики Казахстан до 2015 года // Педагогический вестник. — 2003. — № 12.
4 ЛанинаИ.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики. — М.: Просвещение, 1985. — 151 с.
5 Лигай М.А., Ермекова Ж.К. Инновационные подходы к обучению и некоторые формы контроля знаний // Материалы 6-й науч.-метод. конф. — Астана: Изд-во ЕНУ, 2005. — С. 180-182.
6 ЛигайМ.А. Общая физика. Элементы оптики и физики атома. — Астана: Изд-во ЕНУ, 2008. — С. 50-53.
7 Ершина А.К. и др. Основы теории ветротурбины Дарье. — Алматы: КазгосИНТИ, 2001. — 104 с.
8 ЛигайМ.А. Формирование экологических знаний в курсе физики: Учеб. пособие. — Екатеринбург: УГПУ, 1993. — 130 с.
9 Липовко П.О. Практикум по естествознанию. — Ростов н/Д.: Феникс, 2001. — С. 184-189.