Abstract: In the following article we propose several experiments which illustrate the results of greenhouse effect in natural ecosystems. The exercises focus on general experimental principles and are suitable for all natural science subjects. They do not require any special equipment and the underlying macro processes can be easily shown in a classroom. They can be presented in various forms – as demonstrations, as hands-on experiments or assigned as homework. Depending on the students’ degree of autonomy and the set objectives, the experiments can be adapted for different age groups and subjects.

Key Words: greenhouse effect, educational experiment, environment, natural sciences

Въведение

В заобикалящата ни природа непрекъснато протичат процеси, част от които са естествени, а други са предизвикани или катализирани от човешката дейност. Те имат комплексен характер, но отделното им изучаване по природните науки не позволява да се разкрие изцяло тяхната същност. Полезно е в часовете по природни науки да се направят демонстрации, показващи в цялост протичането им и ефектите или резултатите от тях, а след това според конкретните цели или изучаваното учебно съдържание да се направи нужната детайлизация.

Такъв процес, например, е парниковият ефект. По своята същност той е естествен, но в резултат на човешката дейност се изменят параметрите на протичането му. Наименованието „парников ефект“ идва от сходните свойства на стъклото на парника и газовете в атмосферата. На фиг. 1 (по идея на:          Thermal, 1982). е показано разпространението на топлинните лъчи в един парник. Видимата част от спектъра на слънчевата радиация преминава почти безпрепятствено през стъклото на парника и се поглъща от растенията и почвата в него. Топлинната радиация, излъчена от растенията и почвата, частично се поглъща от стъклото и се излъчва обратно в парника. По този начин стъклото играе ролята на обвивка, която поддържа температурата в парника винаги висока.

Същото се случва и в ниските слоеве на атмосферата, където водната пара, въглеродния диоксид и някои други газове, които се съдържат в по-малки количества, поглъщат част от топлинната радиация, излъчена от земната повърхност и по този начин формират изолационна обвивка. Действието на обвивката е наречено естествен парников ефект, а газовете, които го причиняват – естествени парникови газове. Нарича се естествен, тъй като всички атмосферни газове (с изключение на CFCs – газове, известни с търговското название фреони, които са се появили в резултат на човешката дейност) са съществували като такива още преди появата на човека. Резултатът, който се получава е разлика от около 21°С между фактическата средна температура, която е около 15 °С, и температурата, пресметната за атмосфера, съдържаща само кислород и азот, която е със стойност –6^оС. (По данни на: [1])

За пръв път затоплящото действие на парниковите газове в атмосферата е открито през 1827 г. от френския учен Жан – Батист Фурие. Той също така първи забелязва приликата между принципа на действие на парника и този в атмосферата, откъдето идва и наименованието „парников ефект“. Следваща стъпка в тази област прави британският изследовател Джон Тиндъл, който около 1860 г. измерва количеството на погълнатата инфрачервена радиация от въглеродния диоксид и водните пари. По-късно, през 1896 г. шведският химик Сванте Арениус изчислява ефекта от увеличаването на концентрацията на парниковите газове – той оценява, че удвояването на количеството въглероден диоксид би довело до увеличаването на средната температура на планетата с 5-6 °С – оценка, която не е далеч от съвременното схващане. Петдесет години по-късно, около 1940 г., Г. С. Келандър пръв пресмята затоплянето въз основа на увеличаването на въглеродния диоксид в атмосферата поради изгарянето на органични горива. (Историческият преглед е направен с използване на Houton, 1996).

Разширена представа за процесите, които се случват в екосистемите, може да се получи чрез наблюдение на измененията в един терариум с течение на времето или при поставянето му в различни условия. За целта в прозрачен съд трябва да поставим тревисти растения, почва (торф), дребен чакъл, вода. На фиг. 2 е показан примерен вариант, при който поставеният капак позволява и визуализация на резултатите от парниковия ефект. 

В терариума лесно може да се наблюдава какво се случва, защото е с обозрими размери, но всъщност представлява една мини екосистема. В зависимост от условията, при които го поставим, можем да отчитаме резултатите от различни процеси – капакът може да бъде плътно затворен, частично отворен или премахнат, интензитетът на светлината да бъде различен (пряко или непряко слънчево греене), допълнително подгряване, промяна и контролиране на влажността и др. Всички тези фактори поставят екосистемата в различни състояния, което влияе на протичането на отделните процеси и на тяхната скорост. Резултатите могат да бъдат отчитани чрез измерване на температурата в отделни части на терариума, влажността, измененията в състоянието на растенията, отделяните количества кислород и въглероден диоксид.

Осмислянето на всеки от процесите, протичащи в екосистемите, е удачно да се реализира чрез експерименти, показващи отделното им протичане. Те могат да бъдат както демонстрационни, така и фронтални или домашни, при изработване на подходящ алгоритъм за дейност.

В статията представяме варианти на учебни експерименти, визуализиращи механизма на протичане на парниковия ефект и резултатите от него. Разглеждането му е актуално, защото той е пряко свързан с настоящите проблеми за опазването на околната среда и настъпващите негативни климатични промени. Той е застъпен в учебните програми по природни науки в различни класове. Според възрастовите особености на учениците акцентът е върху една или друга страна на протичащите макропроцеси. Съществено е осъзнаването им като проблем и разбирането на същността на случващото се. Важно е учителят да визуализира процеса така, че той да протече пред очите на учениците и да бъде обозрим както по време, така и по мащаби. Предложените по-долу експериментални постановки не изискват специална апаратура или сложно оборудване и могат да бъдат конструирани във всяка класна стая, дори и при полеви условия – зелено училище, излети, екскурзии и др. Препоръчително е тези експерименти да не се провеждат еднократно, а в различни класове, през различни периоди от време и по различни учебни предмети. С това ще се постави акцент върху важността и значението на разглежданите проблеми. По този начин по-пълноценно ще се обвърже получаваното знание с общочовешките разбирания за природата, нейното опазване и възпроизводство.

Предложените описания са предназначени за учителите. Достигането до изводите и обясненията при всеки от експериментите следва да се организира според конкретните цели на провеждането им, възрастовите особености на учениците и възприетата от учителя организация на учебния процес.

1. Да си направим парник.

 Цел: Изследване на естествения парников ефект чрез конструиране на парник от отпадъчни материали.

Необходими материали:

• 1 пластмасова бутилка от 3 литра или по-голяма
• 1 пластмасова бутилка от 0,5 литра
• Ножици или макетен нож
• 1 пластмасова чиния
• Опаковъчна хартия
• Перманентни маркери
• Тиксо
• Почва
• Семена (боб, леща, царевица, просо, пшеница и др.)
• Вода
• Термометър
• Бележник

Алгоритъм:

1. Отрежете голямата бутилка в широката част под гърлото.
2. Отрежете малката бутилка на около 12 см от дъното.
3. Напълнете две трети от малката бутилка с пръст, добавете семена и вода.
4. Поставете малката бутилка в пластмасовата чиния. Измерете температурата на почвата и на въздуха. Отбележете резултата.
5. Покрийте с похлупака от голямата бутилка и оставете така за известно време (периодът зависи от мястото, на което сме разположили „парника”).
6. Поставете термометър под похлупака и измерете отново температурата и отбележете резултата.
7. Повторете измерванията след същия период от време.
8. Направете същите измервания и след поникване на растенията.
9. Експериментът може да се разнообрази с творческа задача за украсяване на импровизирания парник.

Извод: Температурата под похлупака се повишава с течение на времето и увеличаване на получаваната светлинна енергия.

Обяснение: Температурата се повишава, защото топлинната енергия не може да напусне пространството под похлупака. По този начин илюстрираме радиационния баланс в парника, който е представен на фиг. 1.

Приложимост: Дейността е подходяща за всички възрасти, но с различна степен на самостоятелност при отделните операции. Част от дейностите могат да се поставят за домашна работа на учениците, а конструирането на експерименталната постановка да се реализира в клас. Допустимо е и учениците да работят в домашни условия, а в клас само да се отчитат и коментират получените резултати през различен период от време. По този начин експериментът може да се разнообрази като се постави условие „домашните парници” да са разположени на различни места – на терасата, в затоплена стая, на сянка и т.н.

2. Моделиране на парников ефект (1)

 Цел: Изясняване на механизма на действие на процеса.

Необходими материали:

• Два буркана с пластмасови капачки
• Два термометъра (да се побират в буркана)
• Алуминиево фолио
• Черен картон
• Хронометър

Алгоритъм:

1. Обгърнете единия буркан с алуминиевото фолио от вътрешната страна.
2. Обгърнете другия буркан с черния картон от вътрешната страна.
3. Поставете и в двата буркана термометри и затворете плътно.
4. Засечете време (не по-малко от 3 мин).
5. Наблюдавайте измененията в температурата в бурканите!

Извод: Температурата се повишава по-бързо в буркана, обгърнат с черен картон.

Обяснение: Слънчевите лъчи, които достигат до земята се разделят на къси (светлинни) и дълги (топлинни) електромагнитни вълни. Стъклото лесно пропуска светлинните и по-трудно топлинните вълни. В буркана с алуминиевото фолио вълните се отразяват от метала. В буркана с черния картон те се поглъщат от картона. Картонът само излъчва енергия, но дължината на вълната е по-голяма от тази на електромагнитните вълни, излъчвани от Слънцето и те не могат да излязат навън.

Така действа и атмосферата на Земята. Тя пропуска слънчевата енергия, която достига до нас, основно под формата на светлина и се използва от организмите. Проблемът е, че парниковите газове не позволяват на топлинните вълни да преминат през атмосферата, така че те се връщат обратно, което повишава температурата.

Приложимост: Описаната по-горе дейност е подготвена за гимназиален етап, но е подходяща за всички възрасти в зависимост от начина на обяснение. Един от вариантите е смяна на „вълни” с „лъчи” и „енергия” с „топлина”.

3. Моделиране на парников ефект (2)

 Цел: Изясняване на механизма на действие на процеса.

Необходими материали:

• Два буркана с капачки
• Вода
• Слънчево място

Алгоритъм:

1. Сипете малко вода (около 1 лъжица) във всеки буркан.
2. Поставете капачката само на единия буркан.
3. Преместете бурканите на слънчево място.
4. Наблюдавайте промените след няколко часа (поне два)!

Извод: В отвореният буркан не се наблюдават промени, може би водата в него е намаляла леко. Стъклото на затворения буркан е запотено.

Обяснение: Топлинната енергия не може да напусне затворения буркан, поради същите причини, както в описания по-горе експеримент. Това води до повишаване на температурата, изпарение на водата и кондензиране по стените на буркана. По този начин също се илюстрира действието на парниковите газове.

Приложимост: Дейността е подходяща за начален и прогимназиален етап и  при изучаване на преходите между състоянията на веществата. Слънцето може да се замени с изкуствен източник на топлина. Продължение на експерименталната дейност може да бъде изработването на парник.

4. Баланс на газовете в атмосферата

Цел: Демонстрация на необходимостта от баланс в концентрацията на газовете в атмосферата.

 Необходими материали:

• Стъклени буркани (два или три) с различна вместимост (може да се ползват и стъклени чаши)
• Свещ с подходяща големина
• Кибрит
• Дъска за пластилин или друга плоскост
• Пластилин или глина
• Хронометър

Алгоритъм:

1. Закрепете свещта на дъската с помощта на пластилин.
2. Запалете свещта и покрийте с един от бурканите.
3. Засечете за колко време свещта ще изгасне.
4. Сменете буркана и засечете отново.

Извод: Свещта загасва най-бързо в буркана с най-малка вместимост.

Обяснение: Протичането на процеса горене се нуждае от кислород, а в резултат се образува въглероден диоксид. Това води до промяна на баланса в концентрацията на двата газа в атмосферата. Намаляването на кислорода влошава жизнените процеси, а увеличаването на въглеродния диоксид води до повишаване температурата на атмосферата вследствие засилване на парниковия ефект.

Приложимост: Описаният учебен експеримент е подходящ за ученици при изучаване на газови смеси, кръговрат на веществата, фотосинтеза, условия за протичане на химични реакции. Той е подходящ за провеждане както като демонстрационен, така и като фронтален експеримент според възрастта на учениците. Приложението му може да бъде обвързано с въвеждане на ново знание, разширяване на представите  и изучаване на гранични условия за поведение на обекти. За съкращаване на времето за провеждане е удачно закрепването на свещта да бъде направено предварително, да се използва ниска свещ (тип чаена) и буркан с малка вместимост. 

Вариант на описаната експериментална постановка е до свещта да се постави живо растение, което фотосинтезира и осигурява непрекъснато кислород. Горенето продължава по-дълго време. Този вариант илюстрира механизма за запазване баланса в концентрацията на газовете в атмосферата. Така показваме на учениците колко е важно да запазим растителността на Земята, което ще забави и намали ефектите от увеличаването на отделянето на въглероден диоксид в атмосферата.

Друг вариант на постановката е тя да се реализира с два размера свещи (различни височини). Учениците ще видят, че първо угасва по-ниската свещ. Това се обяснява с по-голямото тегло на въглеродния диоксид от кислорода. По този начин илюстрираме, че повишаването на количеството на въглеродния диоксид в ниските слоеве на дадена екосистема води не само да повишаване на температурата им, но и до влошаване на качеството на живот. Тези процеси водят до ускоряване на гниенето, което от своя страна е свързано с допълнително повишаване както на концентрацията на въглеродния диоксид, така и на температурата.

5. Физично топлинно замърсяване.

Цел: Демонстрация на ефекти от внасяне на твърди частици в атмосферата.

 Необходими материали:

• Две купи
• Сняг или лед
• Пепел, сгурия или пръст (лека)
• Нагревател или преки слънчеви лъчи
• Хронометър

 Алгоритъм:

1. Поставете в двете купи равно количество от снега или леда.
2. Една от купите поръсете с пепелта.
3. Поставете на слънчево място или близо до нагревателя.
4. Засечете време (минимум 3 мин).
5. Наблюдавайте!

Извод: В запрашената купичка снегът (ледът) се топи по-бързо.

Обяснение: Причината за по-бързото топене на замърсения сняг (лед) е тъмният цвят на пепелта, която поглъща в по-голяма степен топлинните вълни. Същият ефект се наблюдава и при замърсяване на атмосферата и водите. Тези резултати показват, че твърдите замърсители дори и като напуснат атмосферата оказват влияние върху природната среда. От една страна, поглъщането на топлинните вълни води до забавяне на темповете на парниковия ефект, но от друга, се повишава температурата в дадена екосистема, което ускорява ефекта.

Приложимост: Описаният учебен експеримент е подходящ за ученици при изучаване на смеси и техните свойства, кръговрата на веществата в природата и радиационния баланс на Земята. Според целите на провеждане и възрастта на учениците е възможно да се предложи като демонстрационен или фронтален експеримент, или да се даде на учениците за домашна работа. Учителят може да проведе експеримента и с трите вида замърсители като се сравни скоростта на топене. Така се илюстрира зависимостта на измененията в околната среда от големината на внесените частици и степента на проникване на замърсителите в средата.

Предложените експерименти са по идея на: (Ilieva-Stoyanova & Kalenderova , 2018).

Анализ на качествата на предложените експерименти

Описаните експериментални постановки представят естествените процеси в екосистемите по начин, удобен за възприемането им от учениците. Те виждат не само ефектите от тях, но и пътища за намаляване на негативните последици за планетата. Самите процеси се визуализират и протичат за необходимото за възприемането  им време, изчистени са от странични ефекти и въздействия, което позволява осмислянето и разбирането им в максимална степен. Малките размери на демонстрираните екосистеми показват, че минимално изменение на състоянието им може да доведе до сериозни изменения на самите системи или на заобикалящите ги. Това ще се отрази на състава им или ще предизвика необратимост в тяхното състояние.

За установяване приложимостта на представените експериментални постановки и дидактическата адекватност на описанието бе потърсено становището на седем експерти, преподаватели по природни науки в различни степени на средното образование. Те трябваше да попълнят следната анкетна карта (виж Приложение 1).

Получените отговори са представени в Таблица 1. За обработката им е използван коефициентът на С. Лоши за съответствие (Bizhkov,1996: 243).

където n е броят на експертите, които оценяват положително въпросника, а N е общият брой на експертите.

въпрос №	експерт 1	експерт 2	експерт 3	експерт 4	експерт 5	експерт 6	експерт 7	CVR
1.	1	1	0	1	1	0	1	0.43
2.	0	1	1	1	1	1	1	0.71
3.	0	-1	1	1	1	1	1	0.43
4.	-1	1	1	1	1	1	1	0.71
5.	1	1	1	1	1	1	1	1.00
6.	1	1	0	1	1	1	1	0.71
7.	1	1	1	1	1	1	1	1.00

Таблица 1.

Получените положителни стойности на коефициента потвърждават необходимостта от провеждането на такъв тип експериментална дейност при формиране и развитие на екологичната култура на учениците. Може да се очаква, че това ще доведе до промяна и в нагласите и отношението на учениците към глобалните проблеми на опазването на околната среда.

Заключение

Визуализацията на резултатите от парниковия ефект ще доведе до по-адекватно осмисляне на проблема и ролята на човешката дейност за задълбочаването или разрешаването му.

Преценката на учителя е решаваща за подбора и включването на предложените експерименти в различни етапи на учебния процес. Определянето на последователността и формата на организация зависи от поставените цели за формиране на отношение към опазването и развитието на околната среда.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бижков, Г. (1996). Теория и методика на дидактическите тестове. (с. 243) София, Просвета.
2. Илиева-Стоянова Х., Календерова А. (2018). Учебно помагало със задачи по екология за ученици от началните класове и прогимназията. Достъпно на: ecocampsandanski.net/assets/docs/Pomagalo_bg.pdf.
3. Термично замърсяване на реките в България. (1982). София: Издателство на БАН.
4. Хоутън Д. (1996). Глобалното затопляне. София: Академично издателство «Проф. Марин Дринов».
5. https://ageconomy.files.wordpress.com/2014/08/zamyrsyavane-na-okolnata-sreda.pdf.

REFERENCES:

1. Bizhkov, G. (1988). Pedagogical diagnostics, Sofia, Narodna prosveta.
2. Ilieva-Stoyanova H., Kalenderova A. (2018). Schoolbook with ecology tasks for elementary and junior high school students. Available on: ecocampsandanski.net/assets/docs/Pomagalo_en.pdf.
3. Thermal (1982). Thermal pollution of rivers in Bulgaria. Sofia: Publishing House of the Bulgarian Academy of Sciences.
4. Houton D. (1996). Global Warming. Sofia, Academic Publishing House «Prof. Marin Drinov „, 1996
5. Ageconomy (2014). https://ageconomy.files.wordpress.com/2014/08/ zamyrsyavane-na-okolnata-sreda.pdf.

Приложение 1

АНКЕТНА КАРТА

Уважаеми колеги,

Предлагаме Ви да оцените серия от експерименти, свързани с формирането на екологична култура у учениците в часовете по природни науки. Възможните варианти на отговори за всеки от въпросите са:

• -1 – не отговаря на посочената цел;
• 0 – не мога да преценя;
• 1 – отговаря на посочената цел.

Благодарим за отделеното време и отзивчивостта.

№	ВЪПРОС	ОТГОВОР
1.	Подбраните експерименти отговарят на изискванията на учебната програма.
2.	Подбраните експерименти са подходящи за включване в часовете по задължителна подготовка.
3.	Подбраните експерименти достатъчно добре онагледяват изучаваните процеси.
4.	Описаните алгоритми са достатъчно подробни.
5.	Обясненията са коректни и точни.
6.	Представената приложимост позволява на учителя да намери място на експериментите в различни класове.
7.	Предложените експерименти дават възможност за вариативност на използваните материали и организацията на учебния процес.

[1] https://ageconomy.files.wordpress.com/2014/08/zamyrsyavane-na-okolnata-sreda.pdf)