Anti-PISA. Анатолий Краснянский. Безграмотные задания программы PISA-2006. Дефекты в группе заданий "Парниковый эффект". Приложение 1: Список российских участников исследования PISA-2006. Приложение 2: Группа заданий "Парниковый эффект" на русском и английском языках. Скриншоты.

Anti-PISA

Анатолий Краснянский

Безграмотные задания программы PISA-2006

Системный анализ группы заданий "Парниковый эффект" программы PISA-2006

1. Введение

В статье проведен анализ двух заданий из трех группы заданий «Парниковый эффект». (Эта часть статьи не закончена).

2. Что такое парниковый эффект?

2.1. Источник информации: http://www.potomy.ru/school/1403.html

   Основным источником энергии, поддерживающим жизнь на Земле, является солнечная радиация — электромагнитное излу¬чение Солнца, проникающее в земную атмосферу. Солнечная энергия поддерживает также и все атмосферные процессы, которые определяют смену сезонов: весна-лето-осень-зима, а также изменения погодных условий.
   Около половины солнечной энергии приходится на видимую часть спектра, которую мы воспринимаем как солнечный свет. Эта радиация достаточно свободно проходит через земную атмосферу и поглощается поверхностью суши и океанов, нагревая их. Но ведь солнечная радиация поступает на Землю ежедневно в течение многих тысячелетий, почему же в таком случае Земля не перегревается и не превращается в маленькое Солнце?
   Дело в том, что и земля, и водная поверхность, и атмосфера в свою очередь тоже испускают энергию, только уже в несколько иной форме — как невидимое инфракрасное, или тепловое, излучение. [Часть инфракрасного излучения уходит в Космос, а часть остается в климатической системе Земли – Анатолий Краснянский]
   В среднем же за достаточно длительное время в космическое пространство уходит ровно столько энергии в виде инфракрасного излучения, сколько ее поступает в виде солнечного света. Таким образом, устанавливается тепловое равновесие нашей планеты. Весь вопрос в том, при какой температуре установится это равновесие. Если бы атмосферы не было, средняя температура поверхности Земли составляла бы минус 23 градуса. Защитное действие атмосферы, поглощающей часть инфракрасного излучения земной поверхности, приводит к тому, что в действительности эта температура (температура поверхности Земли — А.К.) составляет плюс 15 градусов. Повышение температуры — суть следствие парникового эффекта в атмосфере, который усиливается с увеличением количества углекислого газа и водяного пара в атмосфере. Эти газы лучше всего поглощают инфракрасную радиацию.
   Похожий процесс в миниатюре происходит в обычной огородной теплице. Роль поглощающих газов здесь выполняет покрывающая ее пленка, прозрачная для солнечного света, но малопрозрачная для направленного вверх теплового излучения почвы.
   В последние десятилетия в атмосфере все больше и больше увеличивается концентрация углекислого газа. Это происходит оттого; что с каждым годом увеличиваются объемы сжигания ископаемого топлива и древесины. Вследствие этого средняя температура воздуха у поверхности Земли повышается примерно на 0,5 градуса за столетие. (Это всего лишь гипотеза — А.В. Краснянский). Если нынешние темпы сжигания топлива, а значит, и повышение концентрации парниковых газов сохранятся и в дальнейшем, то, по некоторым прогнозам, в следующем столетии ожидается еще большее потепление климата. (Это тоже гипотеза, основанные на физических моделях климата Земли — А.В. Краснянский).

2.2. Источник информации: Большая Советская Энциклопедия, http://bse.sci-lib.com/article087081.html

Парниковый эффект (оранжерейный эффект) атмосферы, свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землёй. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как альбедо земной поверхности в общем мало. Нагреваясь за счёт поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере. Благодаря парниковому эффекту при ясном небе только 10 – 20% земного излучения может, проникая сквозь атмосферу, уходить в космическое пространство.
[Альбедо — величина, характеризующая способность тела отражать падающий на него свет. Вычисляется как отношение потока отраженного и рассеянного света к потоку падающего излучения. Альбедо совершенно черного тела равно нулю, альбедо совершенно белого тела равно единице – А.К.].

2.3. Источник информации: В.В. Авдин. Математическое моделирование экосистем. Учебное пособие. Челябинск. Издательство ЮУрГУ. 2004

Механизм парникового эффекта. Атмосфера хорошо пропускает идущее от Солнца коротковолновое излучение [в оптическом диапазоне – А.К.]. Земля, нагреваясь, излучает энергию в длинноволновом инфракрасном диапазоне (длина волны 5 – 100 мкм). В этом диапазоне происходит интенсивное поглощение излучения молекулами воды и углекислого газа, что вызывает разогрев, называемый парниковым эффектом. Молекулы углекислого газа поглощают излучение в диапазоне 12 – 18 мкм. [Молекулы азота (молярная доля в воздухе 0,78) и кислорода (молярная доля 0,21), атомы аргона (молярная доля 0,01) не поглощают излучение с длиной волны 5 – 100 мкм – А.К. ].

2.4. Источник информации: Большая Советская Энциклопедия, http://bse.sci-lib.com/article056216.html

Инфракрасное излучение (фрагменты статьи). Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение (ИК-излучение) ослабляется в результате рассеяния и поглощения; азот и кислород воздуха не поглощают ИК- излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для него значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, метан, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают ИК-излучение. Особенно сильно поглощает ИК-излучение вода, полосы поглощения которой расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ.

3. Фрагмент № 1 группы заданий "Парниковый эффект"

Прочитайте текст и ответьте на вопросы

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ: ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ ИЛИ ВЫМЫСЕЛ?

    Живым организмам необходима энергия для жизни. Энергия, поддерживающая жизнь на Земле, приходит от Солнца, которое излучает энергию в космос, так как оно очень горячее. Крошечная часть этой энергии достигает Земли. Атмосфера Земли действует как защитное одеяло, покрывающее поверхность планеты, и защищает ее от перепадов температуры, которые существовали бы в безвоздушном пространстве.
Большая часть излучаемой Солнцем энергии проходит через земную атмосферу. Земля поглощает некоторую часть этой энергии, а другая часть отражается обратно от земной поверхности. Часть этой отраженной энергии поглощается атмосферой. В результате этого средняя температура над земной поверхностью выше, чем она могла бы быть, если бы атмосферы не существовало. Атмосфера Земли действует как парник, отсюда и произошел термин «парниковый эффект». Считают, что парниковый эффект в течение двадцатого века стал более заметным. То, что средняя температура атмосферы Земли увеличилась, является фактом. В газетах и другой периодической печати основной причиной повышения температуры в двадцатом веке часто называют увеличение выброса углекислого газа в атмосферу.

4. Анализ фрагмента № 1

1. Анализ заглавия текста: «Парниковый эффект: действительность или вымысел?» В заглавии сделана ошибка. Парниковый эффект – это научный факт и здесь никаких сомнений быть не может. Есть различия во взглядах ученых на механизм парникового эффекта. В группе заданий «Парниковый эффект» обсуждают гипотезу: "К увеличению средней температуры атмосферы Земли» приводят техногенные выбросы углекислого газа".

2. Анализ фрагмента: "Большая часть излучаемой Солнцем энергии проходит через земную атмосферу. Земля поглощает некоторую часть этой энергии, а другая часть отражается обратно от земной поверхности. Часть этой отраженной энергии поглощается атмосферой. В результате этого средняя температура над земной поверхностью выше, чем она могла бы быть, если бы атмосферы не существовало».
Авторы не поняли суть парникового эффекта. Отражается излучение, которое обладает энергией. Во-первых, в данном случае можно говорить о логической ошибке: подмена понятия: вместо понятия «энергия отраженного излучения» используется неясное понятие «отраженная энергия». Во-вторых, парниковый эффект, по-определению, это нагрев внутренних слоев атмосферы Земли, обусловленный прозрачностью атмосферы для основной части излучения Солнца (в оптическом диапазоне) и поглощением атмосферой теплового (инфракрасного) излучения поверхности Земли, нагретой Солнцем. Отраженное земной поверхностью солнечное излучение практически не поглощается атмосферой. Поэтому при обсуждении парникового эффекта не рассматривается поглощение атмосферой отраженного поверхностью Земли солнечного излучения. Что же рассматривается? Рассматривается поглощение атмосферой инфракрасного излучения, источником которого является нагретая Солнцем поверхность Земли, причем атмосфера не только поглощает инфракрасное излучение, но и сама является источником этого излучения: переизлучает его и вверх (в Космос) и вниз (на Землю) [http://www.boinc.ru/doc/CPDN/CPDN_cl-intro.htm#top]. В-третьих, выражение: «В результате этого средняя температура над земной поверхностью выше, чем она могла бы быть, если бы атмосферы не существовало» содержит логическую ошибку: подмена одного понятия другим. Вместо понятия «средняя температура поверхности Земли» используется понятие «средняя температура над земной поверхностью». Правильно: «В результате этого средняя температура земной поверхности выше, чем она могла бы быть, если бы атмосферы не существовало». Температура – это мера средней энергии частиц, составляющих физическое тело (систему). Если нет тела (атмосферы), то о температуре каких частиц может идти речь? Если бы атмосферы не существовало, то над поверхностью Земли можно было бы найти в основном частицы, входящие в солнечный ветер. Солнечный ветер — непрерывный поток плазмы солнечного происхождения. В состав солнечного ветра в основном входят: протоны (около 6 протонов в кубическом сантиметре с температурой 50000 К) и электроны с температурой 150000 К. Следовательно, если бы не было атмосферы, то над поверхностью Земли были бы частицы с температурой от 50 до 150 тысяч градусов. [Физическая энциклопедия. Том 4. Москва. Научное издательство "Большая Российская энциклопедия". 1994. С. 586 (Статья "Солнечный ветер"].

Авторы группы заданий «Парниковый эффект» не поняли (или не смогли объяснить), что такое парниковый эффект. Естественно, что и учащиеся, прочитав дефектный текст, тоже не поняли суть парникового эффекта. Поэтому при всем желании они не могли понять, почему углекислый газ, которого в воздухе всего 0,035 % (по объему), играет большую роль в парниковом эффекте. По воле авторов задания "Парниковый эффект" учащимся, которым не объяснили суть парникового эффекта, дали задание обсуждать гипотезу: «Техногенные выбросы углекислого газа приводят к увеличению средней температуры атмосферы Земли».

5. Фрагмент № 2 группы заданий "Парниковый эффект"

Школьник по имени Андрей заинтересовался возможной связью между средней температурой атмосферы Земли и выбросами углекислого газа в атмосферу Земли. В библиотеке он нашел следующие два графика. На основе этих двух графиков Андрей сделал вывод, что повышение средней температуры атмосферы Земли действительно происходит за счет увеличения [ежегодных, см. графики – А.К.] выбросов углекислого газа.

6. Анализ фрагмента № 2

С научной точки зрения имеет смысл анализировать связь между средней годовой температурой атмосферы Земли (Т_ср) и концентрацией углекислого газа в атмосфере. Можно (но не нужно) сопоставлять Т_ср с суммарным техногенным выбросом CO₂ при предположении (которое еще нужно обосновать), что концентрация CO₂ в атмосфере в определенный момент времени пропорциональна суммарному техногенному выбросу CO₂ на данный момент. Но зачем это делать, когда концентрации углекислого газа (по годам) известны, поскольку измеряются уже в течение 100 лет? Однако сопоставлять среднюю температуру атмосферы Земли и ежегодный (см. графики) выброс техногенного диоксида углерода не имеет смысла. Почему? Потому что такое сопоставление основано на ложной предпосылке: на среднюю температуру атмосферы Земли (Т_ср) в данном году влияет только выброс газа в данном году. А куда пропал углекислый газ, выпущенный в атмосферу за прошлые годы? Получается так: углекислый газ, поступивший в атмосферу, например, в 1970 году, влияет на Т_ср в 1970, но не влияет на Т_ср в 1971 и последующие годы. Следовательно, нет смысла обсуждать вывод Андрея о том, что повышение средней температуры атмосферы Земли происходит за счет увеличения ежегодных (см. графики) выбросов углекислого газа. Более или менее обосновано с точки зрения физики (но не климатологии) другое предположение: причиной увеличения средней температуры атмосферы Земли является повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере.

7. Фрагмент № 3 группы заданий "Парниковый эффект"

Вопрос 1.

Каким образом графики подтверждают вывод Андрея?

ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Ответ принимается полностью (трудность – 529) – 1 балл.
Процент учащихся, набравших данный балл: Россия — 49,0; Средний по ОЭСР — 54,0; Максимальный — 75,4 (Гонконг)
Код 11: Указывается на увеличение и (средней) температуры, и выбросов углекислого газа.
1. При увеличении выбросов увеличивается температура.
2. Оба графика идут вверх.
3. Потому что с 1910 г. оба графика начинают возрастать.
4. Температура возрастает при увеличении выбросов CO2.
5. Линии на графиках одновременно идут вверх.
6. Все увеличивается.
7. Чем больше выброс CO2, тем выше температура.
Код 12: Указывается на положительную связь (в общих словах) между температурой и выбросом углекислого газа. [Примечание: Данный код предназначен для определения ответов, в которых учащиеся используют следующую терминологию: «положительная связь», «одинаковая форма» или «прямо пропорциональный»; хотя следующий ниже вариант ответа не является правильным в строгом смысле, он показывает достаточное понимание явления для того, чтобы оценить ответ положительно].
8. Количество CO2 и средняя температура Земли прямо пропорциональны.
9. Они имеют одинаковую форму, что указывает на взаимосвязь.
Ответ не принимается
Код 01 и код 0 (неправильные ответы) не рассматриваются, полный текст заданий смотрите в приложении 1.
Тип вопроса: со свободно-конструируемым ответом
Компетенция: использование научных доказательств
Содержание: естественнонаучные объяснения (знание о науке)
Область применения: окружающая среда
Контекст: глобальный

8. Анализ фрагмента 3

8.1. Анализ вопроса 1. Вопрос 1 основан на ложной предпосылке: «Графики подтверждают, что повышение средней температуры атмосферы Земли происходит за счет увеличения ежегодных выбросов углекислого газа». Не может быть никаких объективных данных, подтверждающих ложную мысль, может быть только неправильная интерпретация этих данных. Поскольку базис первого вопроса – ложное суждение, то вопрос, по определению, является логически некорректным вопросом. А логически некорректный вопрос не имеет правильных ответов. Однако имеет смысл на время отвлечься от этой истины и провести анализ одного правильного (с точки зрения авторов вопроса 1) ответа, который на самом деле являются неправильным.
8.2. Анализ одного из «правильных» ответов. «Правильный» ответ № 8: «Количество CO₂ и средняя температура Земли прямо пропорциональны». Про этот ответ авторы пишут (код 12): «Хотя следующий ниже вариант ответа не является правильным в строгом смысле, он показывает достаточное понимание явления для того, чтобы оценить ответ положительно». Ответ «не правильный в строгом смысле», но «он показывает достаточное понимание явления». Согласно авторам заданий международной программы PISA-2006 есть «не правильные в строгом смысле» ответы, но которые они принимают в качестве правильных.

На основании графиков (см. фрагмент № 2) можно построить график, в котором на оси y указаны средние температуры атмосферы Земли, а на оси x – ежегодные выбросы техногенного углекислого газа.

Из этого графика следует, что нет оснований говорить о прямо пропорциональной зависимости между средней температуры атмосферы Земли и ежегодного поступления техногенного диоксида углерода. Ранее уже говорилось, что не имеет смысла сопоставлять Т_ср и ежегодное поступление диоксида углерода.

Этот график сделан только для того, чтобы указать на неприемлемую для современного общества ошибку тех, кто принял ответ № 8 в качестве правильного.

Ошибки деятелей программы PISA приучают учащихся к безответственности. Учащиеся, которые утверждали о прямо пропорциональной зависимости, не имели никаких оснований для этого, поскольку «в уме», без конкретных расчетов, за две минуты, отведенные на ответ, невозможно сопоставить Т_ср и ежегодные выбросы парникового газа, имея в распоряжении только графики, указанные во фрагменте 2. Необходимо учить детей точному мышлению и ответственности за свои ответы. Почему? В науке и в производстве за ответами на вопросы следуют конкретные действия. Безответственность в ответах на вопросы приводит к безответственности в делах. В условиях современного общества это будет приводить к техногенным катастрофам.

9. Фрагмент № 4 группы заданий "Парниковый эффект"

Вопрос 2

Другая школьница, Вика, не согласна с выводом Андрея. Она сравнивает два графика и говорит, что некоторые части графиков не подтверждают его вывод. Какие части графиков не подтверждают вывод Андрея? Приведите пример и объясните свой ответ.

ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Ответ принимается полностью (трудность – 659) – 2 балла.
Процент учащихся, Россия Средний по ОЭСР Максимальный
набравших данный балл 32,9 34,5 54,4 (Япония)
Код 2: Указывается на одну часть обоих графиков, на которых не отмечается одновременного возрастания или убывания. Даются соответствующие пояснения.
10. С 1900 г. по 1910 г. (приблизительно) CO2 увеличивалось, в то время как температура уменьшалась.
11. С 1980 г. по 1983 г. углекислый газ уменьшался, а температура возрастала.
12. Температура в 1880 годы почти не изменяется, а первый график увеличивается.
13. Между 1950 г. и 1980 г. температура не увеличивалась, а выбросы CO2 возрастали.
14. С 1940 г. по 1975 г. температура почти не изменяется, а выбросы углекислого газа резко возрастают.
15. В 1940 г. температура намного выше, чем в 1920 г., а выбросы углекислого газа одинаковые.
Код 1 и код 0 не рассматриваются; полный текст заданий смотрите в приложении 1.
Тип вопроса: со свободно-конструируемым ответом
Компетенция: распознавание и постановка научных вопросов
Содержание: естественнонаучные объяснения (знание о науке)
Область применения: окружающая среда
Контекст: глобальный

10. Анализ фрагмента 4

10.1. Анализ вопроса 2. Необходимо повторить еще раз, что искать связь между средней температурой атмосферы Земли (Т_ср) и ежегодным выбросом техногенного диоксида углерода не имеет смысла, так как такое сопоставление основано на ложной предпосылке: на Т_ср в данном году влияет только выброс CO₂ в данном году. Получается, что углекислый газ, выпущенный в атмосферу за прошлые годы, либо полностью исчез из атмосферы, либо потерял свои «парниковые» свойства. Ни то, ни другое невозможно. Следовательно, вывод Андрея – ложное суждение.

Вика утверждает, что некоторые части графиков не подтверждают вывод Андрея. Из этого следует, что Вика считает, что есть части графиков, которые подтверждают вывод Андрея, и есть части графиков, которые не подтверждают вывод Андрея.

На основании одних и те же графиков делаются противоречащие друг другу выводы: «правильные» ответы на вопрос 1 (№ 1 – № 9) противоречат «правильным» ответам на вопрос 2 (№ 10 – № 15).

«Правильные» ответы на первый вопрос:

1. При увеличении выбросов увеличивается температура.
2. Оба графика идут вверх.
3. Потому что с 1910 г. оба графика начинают возрастать.
4. Температура возрастает при увеличении выбросов CO₂.
5. Линии на графиках одновременно идут вверх.
6. Все увеличивается.
7. Чем больше выброс CO₂, тем выше температура.
8. Количество CO₂ и средняя температура Земли прямо пропорциональны.
9. Они имеют одинаковую форму, что указывает на взаимосвязь.

«Правильные» ответы на второй вопрос:

10. С 1900 г. по 1910 г. (приблизительно) CO2 увеличивалось, в то время как температура уменьшалась.
11. С 1980 г. по 1983 г. углекислый газ уменьшался, а температура возрастала.
12. Температура в 1880 годы почти не изменяется, а первый график увеличивается.
13. Между 1950 г. и 1980 г. температура не увеличивалась, а выбросы CO2 возрастали.
14. С 1940 г. по 1975 г. температура почти не изменяется, а выбросы углекислого газа резко возрастают.
15. В 1940 г. температура намного выше, чем в 1920 г., а выбросы углекислого газа одинаковые.

Например, рассматривая графики, учащийся делает вывод: «При увеличении выбросов увеличивается температура» (ответ на первый вопрос), а потом, глядя на те же графики, делает другой вывод (ответ на второй вопрос): Между 1950 г. и 1980 г. температура не увеличивалась, а выбросы CO₂ возрастали.

11. Фрагмент № 5 группы заданий "Парниковый эффект"

Вопрос 3

Андрей настаивает на своем выводе о том, что повышение средней температуры атмосферы Земли вызывается увеличением выбросов углекислого газа. Но Вика думает, что его вывод чересчур поспешный. Она говорит: «Прежде, чем сделать окончательный вывод, ты должен убедиться в том, что другие факторы, влияющие на парниковый эффект, остаются постоянными». Назовите один из факторов, которые имела в виду Вика.

Тип вопроса: со свободно-конструируемым ответом
Компетенция: естественнонаучные объяснения явлений
Содержание: системы, связанные с Землей и Вселенной (естественнонаучные знания)
Область применения: окружающая среда
Контекст: глобальный

12. Анализ фрагмента 5

Как уже говорилось, не имеет никакого смысла обсуждать связь между средней температурой атмосферы Земли и ежегодным поступлением углекислого газа в атмосферу.

13. Выводы

1. Группа заданий «Парниковый эффект» международной программы PISA-2006 является нагромождением различного рода ошибок.

2. Результаты тестирования учащихся на основании группы заданий "Парниковый эффект" международной программы PISA-2006 не имеют никакой ценности (следствие из пункта 1).

3. Этот опус можно использовать в учебных целях только в следующей формулировке: "Найдите ошибки в группе заданий "Парниковый эффект" (следствие из пункта 1).

Статья не закончена!

Приложение 1

(из отчета "Основные результаты международного исследования образовательных достижений учащихся PISA-2006, Москва, 2007)

Список российских участников исследования PISA-2006

Министерство образования и науки РФ: Фурсенко А.А., Калина И.И., Реморенко И.М., Тараданова И.И., Самылкина Н.Н.
Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки: Болотов В.А., Шаулин В.Н.., Бархатова Т.А., Соловьев Б.Б.
Институт содержания и методов обучения РАО: Рыжаков М.В., Калинова Г.С., Корощенко А.С., Резникова В.З., Страут Е.К., Нурминский И.И., Логинова О.Б., Барабанов В.В., Дюкова С.Е.
Центр оценки качества образования ИСМО РАО: Ковалева Г.С., Краснокутская Л.П., Краснянская К.А., Красновский Э.А., Смирнова Е.С., Баранова В.Ю., Мельник И.Г., Кошеленко Н.Г., Нурминская Н.В., Воробьева Н.В. В работе также участвовали 45 региональных координаторов.

Приложение 2

Скриншоты

Группа заданий "Парниковый эффект"

URL: http://semidc.edusite.ru/DswMedia/pisa2006_zadaniyapoestestvoznaniyuexampleunitsscience.pdf