Анатолий Краснянский: Чтобы правильно понять то, о чем говорится в статье Натальи Тимирбаевой, необходимо посмотреть раздел: "Anti-PISA. Системный анализ заданий программы PISA": https://avkrasn.ru/category-2.html
Наталья Тимирбаева
Пациент скорее мертв, чем жив
15 февраля 2008 года. URL: http://www.msn.kg/ru/news/21810/
Наша система образования серьезно больна, отмечают специалисты. Однако, чтобы начать лечить заболевание, прежде всего необходимо поставить диагноз. Именно с этой целью Кыргызстан и принял участие в международном сравнительном исследовании функциональной грамотности пятнадцатилетних учащихся (РISA). Если верить полученным результатам, то наша средняя школа не просто больна — она находится в глубокой коме. О том, что кыргызстанские старшеклассники показали самые плохие результаты в тестировании PISA по чтению, математике и естественным наукам, проводимом под эгидой Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), мы уже сообщали. Недавно был обнародован анализ международного тестирования. Ситуация оказалась не такой плохой, как мы думали. Все гораздо хуже!
Хорошую вещь PISA не назовут
Минимальным международным стандартом функциональной грамотности считается второй уровень из шести возможных. Так вот, только 13,6 процента наших пятнадцатилетних школьников могут похвастаться умением продуктивно мыслить. Более 86 процентов не достигли минимального международного стандарта — то есть второго уровня. При этом знания более половины детей не дотянули даже до первого уровня грамотности. И только один процент юных кыргызстанцев может достичь самых высоких показателей.
Для сравнения. В Финляндии, которая стала абсолютным и несомненным победителем в последнем тестировании PISA, только 3 процента детей показали знания ниже продуктивного уровня. Тех, кто недотянул до первого уровня, там менее одного процента. При этом более 20 процентов пятнадцатилетних финнов могут показывать высокие результаты.
Получается, что большинство наших детей в будущем смогут выполнять только работу, которая основана на простых правилах и требует конкретной последовательности действий. К нерутинной интерактивной деятельности способны только один процент наших сегодняшних школьников.
Хуже всего наши дети умеют делать выводы. То есть некоторые из них все же знают, что, например, Земля — это планета Солнечной системы, а Луна — спутник Земли. Однако расставить эти небесные тела в порядке возрастания не сумело подавляющее большинство. В общем, тест PISA оказался для наших детей слишком трудным.
Это же не наши методы
Конечно, мы можем попытаться успокоить себя и заявить, что PISA — тест международный. А эти иностранцы проверяли не то, чему учим мы. Однако в прошлом учебном году было проведено Национальное оценивание образовательных достижений учащихся (НООДУ). Его цель — понять, что знают и умеют делать учащиеся согласно действующим в стране стандартам образования. В исследовании участвовали ученики 4 и 8 классов средних школ республики. Здесь результаты столь же плачевны. Более 60 процентов выпускников начальной школы обладают знаниями ниже базового уровня. В 8 классе таких уже более 80 процентов.
Моя столица
Понятно, что эти цифры даны в среднем по республике. В Бишкеке ситуация несколько лучше: "только" 40 процентов четверо-классников не дотягивают до базового уровня. И почти 7 процентов показали высокие результаты. Разнятся показания и по языку обучения. Лучше всего обстоят дела в русских школах. Хуже всего — в узбекских. Причем различия видны уже в начальной школе, к восьмому классу русскоязычные школьники грамотнее своих иноязычных сверстников на 30 процентов.
— Конечно, не все четверо-классники и восьмиклассники школ страны приняли участие в исследовании, — говорит директор Центра оценки в образовании и методов обучения Инна Валькова. — Выборка проходила по особой системе, что позволяет получить представление о ситуации в целом.
В исследовании принимали участие и школы с особым статусом (называемые в народе элитными). Какие именно — неизвестно, поскольку и PISA и НООДУ гарантируют участникам анонимность. Однако известно точно, что "уровень учеников школ, имеющих высокий социально-экономический статус (те самые элитные. — Н.Т.), в целом гораздо выше уровня других школьников".
"Будем лечить или дешевле пристрелить?"
Итак, диагноз поставлен. Как будем лечить? Чтобы приступить к решению этой проблемы, в Министерстве образования и науки был проведен круглый стол. Министр Ишенкуль Болджурова во вступительном слове назвала ситуацию опасной. Представитель Фонда "Сорос — Кыргызстан" Валентин Дейчман был еще более категоричен. "Если сегодня не принять решительных мер, то через пару лет государство Кыргызстан можно будет просто закрыть", — заявил он.
Заслушав доклад Инны Вальковой о результатах PISA и НООДУ, стороны приступили к поиску выхода из кризиса. Чиновники в который раз указали на проблемы, о которых говорится последние 15 лет: недостаток кадров вообще, недостаток квалифицированных кадров, отсутствие необходимой учебной литературы, лабораторных инструментов и так далее.
Вывод напрашивается сам собой: прежде всего необходимо достаточное финансирование системы образования. Все остальные проблемы можно решить только тогда, когда начнем решать эту.
Впрочем, сотруднику КАО Сабыру Интарову удалось найти оригинальное решение проблемы.
— Я подсчитал, — отметил он, — львиную долю средств, выделяемых на школы, мы тратим на отопление зданий. Получается, что, вместо того чтобы вкладывать деньги в ученика, мы вкладываем их в котлы. Это неправильно. И кто это придумал: зимой, когда сама природа отдыхает, заставлять детей овладевать знаниями? Поэтому предлагаю перенести учебный год.
Куда именно перенести, чиновник не уточнил. Наверное, в Австралию. Ведь там, как известно, лето, когда у нас зима.
К счастью, в министерстве понимают, что такими методами систему не реанимировать.
— Мы уже создали рабочую группу для изменения школьной программы, — отметила Ишенкуль Болджурова. — Кроме того, мы хотим объяснить кыргызстанцам, что решать существующие проблемы — задача не только Министерства образования. Мы призываем общество в целом помочь системе образования. А главное, нам необходима помощь родителей. Без их участия все усилия государства могут оказаться напрасными.
Проверь себя
Известно, что мрамор постепенно разрушается под действием кислотных дождей. Также известно, что действие уксуса и кислотных дождей примерно одинаково.
Вопрос: если кусочек мрамора весом 2 грамма поместить на ночь в уксус, затем достать, высушить его и взвесить, то мрамор будет весить
А) меньше 2 граммов;
Б) между 2 и 2,4;
В) ровно 2 грамма;
С) ровно 2,4.
Правильный ответ А. Если вы сумели ответить на этот вопрос, значит, ваши мыслительные способности соответствуют второму продуктивному уровню.
А теперь попытайтесь ответить, зачем дети поместили кусочек мрамора также и в дистиллированную воду? (Вариантов ответа нет.)
Если вы ответили что-то типа "чтобы доказать, что мрамор разрушается только под действием кислоты, а не под действием любой жидкости", то ваш уровень очень высокий. В странах-лидерах на этот вопрос правильно ответили 35 процентов детей, у нас — только один процент. При этом 52 процента даже не попытались справиться с заданием.
Наталья ТИМИРБАЕВА.
Комментарий к статье
URL: http://www.msn.kg/ru/news/21810/comments/
О газете
URL: http://www.msn.kg/ru/about_us/
Приложение
Anti-PISA
Анатолий Краснянский
Безграмотные задания программы PISA-2006
Группа заданий «Кислотные дожди» PISA-2006
1. Введение (статья не закончена)
Задание 1
На фотографии, приведенной ниже, изображены статуи, называемые Кариатидами, которые были возведены в Акрополе в Афинах более 2500 лет назад. Статуи были изваяны из горной породы, которая называется мрамором. Мрамор состоит из карбоната кальция.
.png)
В 1980 году подлинные статуи были перенесены в музей Акрополя, а их заменили копиями. Подлинные статуи были разъедены кислотными дождями.
Вопрос 1
Обычный дождь слегка кислотный, потому что он поглощает некоторое количество диоксида углерода из воздуха. Кислотный дождь более кислый по сравнению с обычным дождем, потому что он поглощает также такие газы, как оксид серы и оксид азота. Откуда эти оксид серы и оксид азота попадают в воздух?
ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Ответ принимается полностью (трудность – 506) – 1 балл.
Код 1: Из газов, которые попадают в воздух вследствие выхлопов автомобильного транспорта, выбросов фабрик, сжигания ископаемого топлива, такого как нефть и уголь, из газов вулканов и другими подобными способами.
№ 1: Сжигание угля и газа.
№ 2: Оксиды в воздухе появляются из-за загрязнения окружающей среды от заводов и других промышленных предприятий.
№ 3: От вулканов.
№ 4: Из дыма электростанций. [“Электростанции” включены в ответ, т.к. они включают тепловые электростанции, на которых сжигается ископаемое топливо.]
№ 5: Они берутся от сгорания материалов, которые содержат серу и азот.
Учащиеся дают неправильный источник загрязнения окружающей среды наряду с правильным.
№ 6: Ископаемое топливо и атомные электростанции. [Атомные электростанции не являются источником кислотных дождей.]
№ 7: Оксиды берутся из озона атмосферы и метеоритов, которые падают на Землю. А также от сгорания топлива.
Загрязнение окружающей среды. Учащиеся указывают на загрязнение окружающей среды, но фактически не называют его источник.
№ 8: Загрязнение окружающей среды.
№ 9: Окружающая среда в целом, атмосфера, в которой мы живем, – например, загрязнение.
№ 10: Загазованность, загрязнение, пожары, сигареты. [Не ясно, что имеется в виду под «загазованностью»; ответ «пожары» – недостаточно
определенный; дым сигарет не является значительной причиной кислотных дождей.]
№ 11: Загрязнение, такое как от атомных электростанций.
Ответ не принимается
Код 0: Другие ответы.
№ 12: Они выделяются из пластмасс.
№ 13: Они являются естественными составляющими воздуха.
№ 14: Уголь и нефть. [Ответ недостаточный, т.к. не говорится о «сгорании».]
№ 15: Атомные электростанции.
№ 16: Промышленные отходы. [Ответ недостаточный.]
Код 9: Ответ отсутствует.
Тип вопроса: со свободно-конструируемым ответом
Компетенция: научное объяснение явлений
Содержание: физические системы (естественнонаучные знания)
Область применения: источники опасности и риски
Контекст: социальный
3. Анализ первого задания
3.1. Анализ фрагмента: «В 1980 году подлинные статуи были перенесены в музей Акрополя, а их заменили копиями. Подлинные статуи были разъедены кислотными дождями». Авторы задания утверждают, что мраморные статуи были разъедены кислотными (pH < 5) дождями. Однако обычные дожди, как указывают сами авторы, «слегка кислотные». Поэтому за 2500 лет поверхность этих статуй была изрядно разрушена не только кислотными дождями, но и под действием многих других факторов, в том числе обычными дождями, содержащих углекислый газ (pH = 5,6):
CaCO3(твердая фаза) + H2O + CO2 <–> Ca(HCO3)2 (водный раствор)
Суждение: «Подлинные статуи были разъедены кислотными дождями» содержит ложную информацию (в неявном виде), поскольку в нем подразумевается, что кислотные дожди – единственный фактор, приводящий к разрушению камня. Деятели программы PISA, вероятно, знают только об одном факторе, разрушающим памятники культуры, созданные из горных пород. Основные факторы негативного воздействия на камень, определяющие его долговечность [1,2]: 1) атмосферно-климатические (физико-химические) воздействия (воздух, влага, цикличное замораживание, инсоляция и др.); 3) биодеструкция (бактерии, водоросли, грибы, лишайники, мхи и др.); 4) механические воздействия (например, абразивное действие ветра, несущего песчаные частицы); 5) техногенные факторы (физические – вибрации, химические – загрязнение воздуха оксидами серы и азота). Поэтому кислотные дожди – только один из многих факторов, разрушающих каменные сооружения и статуи. Следует отметить, что взаимодействие карбонатных горных пород с природными водами довольно подробно обсуждалось в советских [3] и обсуждается в российских учебниках [4 – 6].
3.2. Анализ фрагмента: "Откуда эти оксид серы и оксид азота попадают в воздух?"
Во-первых, предпосылкой этого вопроса является ложное суждение: "В воздух попадают только один оксид серы и только один оксид азота". На самом деле в атмосферу попадают два оксида серы: оксид серы(IV) и оксид серы(VI). Так, доля оксида серы(VI) может достигать 3 %. Техногенные выбросы содержат в основном оксид азота(II), который затем окисляется до азота(IV) и азотной кислоты. Следовательно, вопрос: "Откуда эти оксид серы и оксид азота попадают в воздух?" является логически некорректным вопросом.
Во-вторых, этот вопрос — сложный вопрос и его следовало бы разделить на два простых вопроса: один вопрос об оксидах серы, другой вопрос — об оксидах азота.
4. Анализ ответов на первое задание
4.1. Первое задание: «Обычный дождь слегка кислотный, потому что он поглощает некоторое количество диоксида углерода из воздуха. Кислотный дождь более кислый по сравнению с обычным дождем, потому что он поглощает также такие газы, как оксид серы и оксид азота. Откуда эти оксид серы и оксид азота попадают в воздух?»
4.2. Анализ правильных (по мнению авторов задания) ответов на первое задание.
4.2.1 Анализ «правильного» ответа № 2. Ответ № 2: «Оксиды в воздухе появляются из-за загрязнения окружающей среды от заводов и других промышленных предприятий». Как известно, по степени точности ответы могут быть определенными и неопределенными. Этот ответ – неопределенный, поскольку не указано, какие именно предприятия выбрасывают в атмосферу оксиды серы и азота. Хорошо известно, что большинство промышленных предприятий не являются источниками ни оксидов серы, ни оксидов азота.
4.2.2. . Анализ «правильного» ответа № 3. Ответ № 3: «От вулканов». Главными составляющими вулканических газов являются вода (водяной пар) и углекислый газ. В вулканических газах (1200 оС), выделяющихся непосредственно из лавового озера вулкана Килауэа (Гавайские острова) обнаружены [7]: N2, Ar, H2 , CO, SO2, SO3, S2 , Cl2 . В других вулканах обнаружены также HCl, HF и H2S [7А]. Если оксиды азота и входят в состав вулканических газов, то их концентрации так малы, что не имеет смысла обсуждать вулканы как источники азотной кислоты в атмосферных осадках. Таким образом, ответ «От вулканов» является правильным относительно оксидов серы и неправильным относительно оксидов азота.
4.2.2. Анализ «правильного» ответа № 4. Ответ № 4: «Из дыма электростанций». Что такое дым? Дым – устойчивая дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газах. Дым — типичный аэрозоль с размерами твёрдых частиц от 10-7 до 10-5 м. Дым образуется, в частности, при сгорании горючих веществ, например в топках тепловых электростанций, различных промышленных установок, при пожарах, особенно лесных. Такие дымы могут содержать крупные частицы несгоревшего топлива и золы, оксидов металлов, сажи, смолы [8]. Правильно: «Из дымовых газов тепловых электростанций». Термин «дымовые газы» используется в учебной ([8А], стр.103) и технической [9] литературе.
4.2.3. Анализ «правильного» ответа № 6. Ответ № 6: «Ископаемое топливо и атомные электростанции". [Комментарий авторов задания: «Атомные электростанции не являются источником кислотных дождей».] Ответ, полностью устраняющий познавательную неопределенность, называется сильным, не полностью – слабым. Из двух слабых ответов один может быть более сильным, чем другой ([10], стр. 66). Слабый ответ: «Оксиды серы азота попадают в воздух из ископаемого топлива». Более сильный: «Оксиды серы и азота попадают в воздух при сжигании ископаемого топлива». Ответ: «Ископаемое топливо и атомные электростанции» состоит из слабого ответа – «ископаемое топливо» и ложного – «атомные электростанции».
4.2.4. Анализ «правильного ответа № 8. Ответ № 8: «Загрязнение окружающей среды». В логике такой ответ называют нерелевантным – ответом не на поставленный вопрос, а ответом на какой-то другой вопрос [10]. Ответ: «Загрязнение окружающей среды» – это ответ на вопрос: «Что происходит при попадании оксидов серы и азота в атмосферу?» Следовательно, ответ: «Загрязнение окружающей среды» никак нельзя признать правильным ответом на вопрос: "Откуда эти оксид серы и оксид азота попадают в воздух?".
4.2.5. Анализ «правильного» ответа № 9. Ответ № 9: «Окружающая среда в целом, атмосфера, в которой мы живем, – например, загрязнение». Учащегося спрашивают: «Откуда оксиды серы и азота попадают в воздух (в атмосферу)?», а он отвечает: «Атмосфера, в которой мы живем, например, – загрязнение». Неясно, что хотел сказать учащийся. Предположим, что он хотел сказать, что эти оксиды попадают в атмосферу из окружающей среды, из атмосферы. В этом случае это тавтологичный ответ. Такой ответ не несет фактической информации и в силу этого не снижает познавательную неопределенность ([10], стр. 66).
4.2.6. . Анализ «правильного» ответа № 11. Ответ № 11: «Загрязнение, такое как от атомных электростанций». Во-первых, это нерелевантный ответ. Учащегося спрашивают: «Откуда оксиды серы и азота попадают в воздух?» А он отвечает: «Загрязнение…». «Загрязнение…» – это ответ на другой вопрос: «Что происходит при попадании оксидов серы и азота в атмосферу?» Во-вторых, атомные электростанции не загрязняют атмосферу оксидами серы и азота. Оксиды азота образуются при действии ионизирующей радиации на воздух и при ядерных взрывах в атмосфере, но атомные электростанции не являются значительными источниками оксидов азота.
4.3. Сравнение правильных и неправильных (по мнению составителей задачи) ответов
«Правильный» ответ № 6: «Ископаемое топливо и атомные электростанции. [Комментарий авторов задания: «Атомные электростанции не являются источником кислотных дождей».] «Неправильный» ответ № 14: «Уголь и нефть». [Комментарий авторов задания: «Ответ недостаточный, т.к. не говорится о «сгорании».] Неясно, почему ответ № 6 признают правильным, хотя в нем так же, как и в ответе № 14, не говорится о сгорании топлива. Кроме того, в «правильном» ответе № 6 есть ложная информация о том, что атомные электростанции являются источниками оксидов серы и азота, а в "неправильном" нет ложной информации.
4.4. Что такое «научное объяснение явлений»?
Научное объяснение – раскрытие связей между какими-либо фактами, явлениями и процессами – объектами научного объяснения – и другими, уже известными и объясненными или же более общими и фундаментальными фактами, явлениями и процессами. В некоторых случаях объяснить явление – это значит указать его причину, при этом явление становится ясным и понятным. Объяснение – одна из важнейших функций науки. В настоящее время именно наука делает понятными факты, явления и процессы, поэтому научное объяснение служит образцом для всех сфер человеческой деятельности, в которых возникает потребность объяснения [11, 11А].
4.5. Какие ответы на вопрос: «Откуда оксиды серы и азота попадают в воздух?», являются научными объяснениями?
Пример 1. «Известно, что сера (простое вещество) горит с образованием оксида серы (IV): S + O2 = SO2. На многих электростанциях в качестве топлива используют уголь. Уголь содержит серу в различных химических формах, в том числе в виде простого вещества. Поэтому электростанции, в которых применяется уголь, являются источниками SO2».
Пример 2. «Известно, что при высоких температурах азот и кислород реагируют с образованием оксида азота (II): N2 + O2 = NO. При горении природного газа, нефти, нефтепродуктов и угля в избытке воздуха (основные компоненты воздуха – азот и кислород) развиваются высокие температуры. Поэтому теплоэлектростанции и котельные являются источниками NO. Из этих примеров видно, что ни один ответ из представленных в группе заданий «Кислотные дожди», не является научным объяснением.
4.6. О «правильных» ответах и научном объяснении явлений.
Авторы первого задания задают учащимся вопрос: «Откуда оксиды серы и азота попадают в воздух?» И принимают в качестве «научного объяснения», например, такой ответ: «Оксиды в воздухе появляются из-за загрязнения окружающей среды от заводов и других промышленных предприятий» (см. ответ № 2). В сущности, ответ учащегося сводится к следующему суждению: «Источником оксидов являются какие-то промышленные предприятия». Этот ответ ничего не объясняет и, следовательно, не имеет никакого отношения к научному объяснению. Остальные ответы тоже не являются научными объяснениями.
5. Второе задание
Действие кислотных дождей на мрамор может быть смоделировано путем помещения кусочков мрамора в уксус на ночь. Уксус и кислотный дождь обладают примерно одинаковым уровнем кислотности. Когда кусочек мрамора помещают в уксус, то наблюдается процесс образования пузырьков газа. Масса сухого кусочка мрамора определяется до и после эксперимента.
Вопрос 2
До погружения на ночь в уксус кусочек мрамора имел массу 2,0 г. На следующий день этот кусочек вынимают из уксуса и высушивают. Какова будет масса высушенного кусочка мрамора?
A Меньше, чем 2,0 г
B Точно 2,0 г
C Между 2,0 г и 2,4 г
D Больше, чем 2,4 г
ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Ответ принимается полностью (трудность – 460) – 1 балл.
Код 1: А. Меньше, чем 2,0 г
Ответ не принимается
Код 0: Другие ответы.
Код 9: Ответ отсутствует.
Тип вопроса: с выбором ответа
Компетенция: использование научных доказательств
Содержание: физические системы (естественнонаучные знания)
Область применения: источники опасности и риски
Контекст: личностный
6. Анализ второго задания
Внимание!
Правильный ответ: "Кусочек мрамора (карбоната кальция), всю ночь находившийся в растворе уксусной кислоты, взятой в избытке (осталась после реакции!) полностью растворится, то есть масса мрамора будет равна нулю".
"Кусочек мрамора" утром "вынули" из уксуса — раствора уксусной кислоты. Следовательно, уксусная кислота была в избытке. А если кислота была в избытке, то мрамор должен был полностью раствориться.
Пизовцы утверждают, что кусочек мрамора, всю ночь пролежавший в растворе уксусной кислоты, взятой в избытке, полностью не растворился.
Следовательно, пизовцы сделали эпохальное открытие: днем мрамор реагирует с уксусом, а ночью — нет.
Среди ответов, предложенных пизовцами, нет правильного ответа!
6.1. Фрагмент № 1 второго задания: "Действие кислотных дождей на мрамор может быть смоделировано путем помещения кусочков мрамора в уксус на ночь; уксус и кислотный дождь обладают примерно одинаковым уровнем кислотности".
Вероятно, что под «уровнем кислотности» авторы задания понимают концентрацию (моль/л) ионов водорода [H+] или водородный показатель pH (pH = –lg[H+]). Кислотные дожди в основном содержат сильные кислоты: серную и азотную. Уксус – водный раствор (3 – 15%) пищевой уксусной кислоты [12]. Уксусная кислота – слабая кислота. Поэтому «одинаковый уровень кислотности» (равенство концентраций ионов водорода, равенство pH) растворов уксусной кислоты и, например, азотной кислоты достигается при разных концентрациях этих кислот: концентрация уксусной кислоты приблизительно в 100 раз выше концентрации азотной кислоты. Следовательно, в уксусе («модель» кислотного дождя) концентрация кислоты в 100 раз больше, чем в кислотном дожде!
Отметим, что в задании указана масса мрамора, но не указан объем (масса) уксуса и массовая доля уксусной кислоты в уксусе. Опыт в задании 2 повторить невозможно. Опыты должны описываться таким образом, чтобы другие исследователи могли его повторить. Конечно, при проведении опытов учащимися младших классов это требование выполнить невозможно. Однако нельзя описывать опыты для девятиклассников и десятиклассников на уровне 3 класса.
Например, в учебнике для 3 класса обсуждаются свойства известняка и мрамора ([12А], стр. 99 – 100). Задание на стр. 99: «Капни из пипетки на образцы гранита, известняка, мрамора несколько капель пищевого уксуса. Что ты увидел?» Текст на стр. 100: «Известняк – плотная горная порода. Известняки бывают чаще всего белого, встречаются серого и желтоватого цвета. Эту горную породу легко отличить от других. Если на нее налить немного кислоты (например, уксусной), то послышится шипение и на поверхности камня появятся пузырьки углекислого газа (такой ли результат ты получил в практической работе?).
6.2. Фрагмент № 2 второго задания: «До погружения на ночь в уксус кусочек мрамора имел массу 2,0 г. На следующий день этот кусочек вынимают из уксуса и высушивают».
Во-первых, после того, как кусочек мрамора вынули из раствора, его следовало промыть дистиллированной водой, чтобы смыть раствор, содержащий ацетат кальция. Без этой операции часть ацетата кальция может остаться на поверхности и в порах исследуемого образца. В этом случае масса образца после высушивания будет равна массе мрамора плюс масса ацетата кальция. Во-вторых, авторы не указали массу уксуса. Расчеты показывают (см. приложение 3, — этого приложения пока нет на сайте — Анатолий Краснянский) что кусочек мрамора массой 2,0 г полностью растворится в 80 мл 3 % уксуса или в 16 мл 15 % уксуса; 0,2 г (10 % от массы) мрамора растворится в 8,0 мл 3 % уксуса или в 1,6 мл (!) 15 % уксуса. Если взять 80 мл 3 % или 16 мл 15 % уксуса, то от кусочка мрамора массой 2,0 г вообще ничего не останется.
В-третьих, выражение «этот кусочек вынимают из уксуса» содержит логическую ошибку: «отождествление разных понятий» [14]. На ночь кусочек мрамора погрузили в уксус, но утром вынули уже не из уксуса, а из водного раствора ацетата кальция. В задании подразумевается, что реакция прошла до полного израсходования кислоты: ведь кусочек мрамора был в контакте с «уксусом» целую ночь:
CaCO3(избыток) + 2СН3СООН = Ca(СН3СОО)2 + H2O + CO2 (1)
Уксус (водный раствор уксусной кислоты) и водный раствор ацетата кальция – разные понятия. Ошибка «отождествление разных понятий» в химии (а также в любой отрасли науки и техники) может привести к тяжелым последствиям. Предположим, что вместо кусочка мрамора (кальцита) в опыте использовали кусочек минерала церуссита PbCO3 (карбоната свинца):
PbCO3(избыток) + 2СН3СООН = Pb(СН3СОО)2 + H2O + CO2 (2)
и полученный водный раствор ацетата свинца тоже назвали уксусом. Уксус, как известно, применяется для приготовления приправ, маринадов, консервов. Ацетат свинца, как и любая растворимая в воде соль свинца, является сильным ядом: смертельная доза для человека 5 – 30 г [15]. Впрочем, карбонат свинца тоже ядовит [16 ].
Необходимо еще раз обратить внимание на то, что пизовцы сделали "эпохальное открытие": днем мрамор (карбонат кальция) реагирует с уксусом (раствором уксусной кислоты), а ночью реакция не идет.
Следует отметить, что опыты по «моделированию» кислотных дождей 3 – 15 % уксусом некорректны не только из-за высокой концентрации уксусной кислоты в уксусе. Ацетат кальция хорошо растворим в воде и поэтому при растворении мрамора масса образца действительно будет непрерывно уменьшаться. Однако при взаимодействии мрамора с разбавленной серной кислотой на поверхности мрамора может образоваться слой («корочка»), состоящая из малорастворимого дигидрата сульфата кальция. В этом случае масса образца при протекании реакции может сначала уменьшиться, а затем увеличиться вследствие образования гирса на поверхности мрамора. Дело в том, что из 1 моля карбоната кальция образуется 1 моль дигидрата сульфата кальция, но масса 1 моля дигидрата сульфата кальция больше массы 1 моля карбоната кальция.
7. Третье задание
Вопрос 3
Учащиеся, которые проводили этот эксперимент, поместили на ночь кусочки мрамора также в чистую (дистиллированную) воду. Объясните, для чего учащиеся включили этот опыт в свой эксперимент.
ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Ответ принимается полностью (трудность – 717) – 2 балла.
Доля учащихся, набравших данный балл: Россия — 34,2 %; Средний по ОЭСР — 35,5 %; Максимальный — 47,1 % (Новая Зеландия)
Код 2: Показать, что кислота (уксус) является обязательным условием для протекания реакции.
№ 1: Убедиться в том, что для этой реакции дождевая вода должна быть кислотной (как в кислотном дожде), и что с обычной водой реакции не будет.
№ 2: Посмотреть, есть ли другие причины для образования изъянов в кусочках мрамора.
№ 3: Потому что он показывает, что кусочки мрамора не реагируют с любой жидкостью, т.к. вода является нейтральной.
Ответ принимается частично (трудность – 513) – 1 балл.
Доля учащихся, набравших данный балл: Россия — 53,1 %; Средний по ОЭСР — 43,0 %; Максимальный балл — 63,7 % (Эстония).
Код 1: Сравнить с опытом между уксусом и мрамором, но из ответа не ясно, что это сделано для того, чтобы показать что кислота (уксус) является обязательным условием для протекания реакции.
№ 4: Сравнить с результатом в другой колбе.
№ 5: Посмотреть, изменятся ли кусочки мрамора в чистой воде.
№ 6: Учащиеся включили этот опыт, чтобы показать, что происходит, если нормальный дождь попадает на мрамор.
№ 7: Потому что дистиллированная вода не является кислотой.
№ 8: Для контроля.
№ 9: Чтобы посмотреть на разницу между обычной водой и водой, содержащей кислоту (уксус).
Ответ не принимается
Код 0: Другие ответы.
№ 10: Показать, что дистиллированная вода не является кислотой.
Код 9: Ответ отсутствует.
Тип вопроса: со свободно-конструируемым ответом
Компетенция: распознавание и постановка научных вопросов
Содержание: естественнонаучные исследования (знание о науке)
Область применения: источники опасности и риски
Контекст: личностный
8. Анализ третьего задания
8.1. Дополнительная информация, необходимая для анализа третьего задания.
8.1.1. Что такое дистиллированная вода? Несмотря на широко распространенное мнение, что в дистиллированной воде [H+] = [OH—] = 1.10-7 моль/л (pH 7), это неверно. Чтобы получить чистую (ультрачистую) воду с pH 7, ее нужно долго и упорно очищать, при этом не должно быть контакта воды с воздухом [17,18]. При контакте с атмосферой находящийся в ней углекислый газ (парциальное давление CO2 в воздухе 3,4.10-4 атм) растворяется в дистиллированной воде, при этом образуется угольная кислота и продукты ее диссоциации:
CO2 + H2O <–> H2CO3 (3)
H2CO3 <–> + H+ + HCO3— (4)
HCO3— <–> H+ + CO32- (5)
При 25 оС pH дистиллированной воды, находящейся в газовом равновесии с воздухом, равен 5,63 [19] Водный раствор углекислого газа обладает буферными свойствами (карбонатная буферная система) [19,20].
8.1.2. Взаимодействие дистиллированной воды, содержащей CO2, с карбонатами кальция и магния. При длительном контакте карбонатов кальция и магния с водой, содержащей углекислый газ, наступает равновесие:
CaCO3(твердая фаза) + H2O + CO2 <–> Ca(HCO3)2(водный раствор) (6)
MgCO3(твердая фаза) + H2O + CO2 <–> Mg(HCO3)2(водный раствор) (7)
Процессы (3) – (7) имеют огромное значение в круговороте кальция, магния и углерода и вообще для жизни на Земле. Расчет реакции среды для системы Н2О – СО2 (0,034%) – СаСО3 дает значение рН 8,4 (Латыпова, [19]). Благодаря присутствию углекислого газа в воздухе и в воде, ионов кальция в воде (карбонатно-кальциевая система) действует буферный механизм, обеспечивающий стабильность pH океанической (и не только океанической) воды и, следовательно, устойчивость условий жизни морских организмов ([19, 20] и [21], стр. 77). Буферные свойства почвенных растворов также обусловлены в значительной степени карбонатно-кальциевой системой. В природных водах кальций присутствует основном в виде гидрокарбоната кальция и в этой форме поступает в моря и океаны. Ежегодный вынос кальция в океан равен 480 млн. тонн. [21]. Образование пещер в карбонатных породах и другие карстовые явления также обусловлены растворением карбонатов кальция и магния в воде, насыщенной углекислым газом.
8.2. Третье задание: «Учащиеся, которые проводили этот эксперимент, поместили на ночь кусочки мрамора также в чистую (дистиллированную) воду. Объясните, для чего учащиеся включили этот опыт в свой эксперимент».
8.3. Характеристика третьего задания. Из ответов на второе задание: «Меньше, чем 2,0 г, точно 2,0 г, между 2,0 г и 2,4 г, больше, чем, 2,4 г» следует, что учащиеся использовали весы с ценой деления 0,1 г. В случае однократного измерения в качестве приборной погрешности (в данном случае погрешности весов) берется половина наименьшего деления шкалы [22]. Следовательно, можно ожидать, что массы кусочков мрамора были измерены с погрешность плюс-минус 0,05 г. Рассмотрим пример. Ученик взвесил кусочек мрамора (масса его составила, например, 1,8 г плюс-минус 0,05 г), поместил в дистиллированную воду на ночь, вынул, высушил и снова взвесил. Предположим, что после этих операций масса кусочка мрамора снова оказалась равной 1,8 г (плюс-минус 0,5 г). Значит ли это, что мрамор не взаимодействует с дистиллированной водой? Нет, не значит. Во-первых, одно измерение не имеет никакой научной ценности. Во-вторых, на основании одного опыта можно предполагать, что если мрамор реагирует с дистиллированной водой или растворяется (без химической реакции), то эффект этого взаимодействия меньше, чем 0,05 г. Следует отметить, что при определении растворимости вещества в каком-либо растворителе необходимо указывать объем (массу) растворителя и его температуру. Авторы задания этого не сделали. В третьих, «научные» эксперименты» деятелей программы PISA со взвешиванием кусочков мрамора до и после контакта с дистиллированной водой напоминают анекдот о том, как определяли вес капитана: взвешивали пароход с капитаном на борту и пароход без капитана. Можно ли доказать, без сложных экспериментов, что мрамор взаимодействует с дистиллированной водой, находящейся в равновесии (речь идет, конечно, о газах) с атмосферой? Можно. Достаточно использовать универсальную индикаторную бумагу, по окраске которой можно оценить pH раствора. До реакции с мрамором pH такой воды должен быть в интервале 5 – 6, а после наступления равновесия в системе CO2 – H2O – СаCO3 pH будет в интервале 8 – 9.
8.4. Анализ правильных (по мнению авторов задания) ответов.
Ответ № 1 («правильный»): Убедиться в том, что для этой реакции дождевая вода должна быть кислотной (как в кислотном дожде), и что с обычной водой реакции не будет.
В задании не сказано, что дистиллированная вода была изолирована от воздуха. Таким образом, учащийся с помощью деятелей программы PISA «доказал», что вода, насыщенная углекислым газом (парциальное давление углекислого газа 3,4.10-4 атм) не разрушает карбонатные породы. На самом деле разрушение мрамора и известняка происходит (медленно) под действием не только кислотных дождей (pH <5), но и дождей, содержащих только диоксид углерода и продукты его взаимодействия с водой (pH = 5,6):
CaCO3(твердая фаза) + H2O + CO2 <–> Ca(HCO3)2(водный раствор) (6)
Конечно, известняк и мрамор в этой реакции не разрушается так быстро, как в случае «модели» кислотных дождей – уксуса (3 % – 15 % водного раствора уксусной кислоты), но ведь и концентрация кислоты в этой «модели» кислотного дождя как минимум в 100 раз больше, чем в самом кислом кислотном дожде.
Ответ № 2 («правильный»): «Посмотреть, есть ли другие причины для образования изъянов в кусочках мрамора.
По мнению авторы задания, это правильный ответ – то есть мрамор (кальцит) разрушается только кислотными дождями (pH < 5); дожди с pH = 5,6 мрамор не разрушают.
Ответ № 3 («правильный»): «Потому что он показывает, что кусочки мрамора не реагируют с любой жидкостью, т.к. вода является нейтральной».
Как уже указывалось, в задании не сказано, что дистиллированная вода была изолирована от воздуха. Дистиллированная вода, если ее специально не изолировать от воздуха, имеет слабокислую реакцию, то есть не является «нейтральной» средой, pH этой воды около 5,6.
Вода не является "нейтральной жидкостью" (по отношению к карбонату кальция) даже при отсутствии углекислого газа).
Полный текст статьи Анатолия Краснянского: URL: https://avkrasn.ru/article-357.html
Основные результаты международного исследования образовательных достижений учащихся PISA-2006: URL: http://window.edu.ru/resource/351/60351/files/PISA2006_Report_new.pdf