Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Kdy už svíčka nehoří?
4,5 (2 hodnocení)
Příspěvek je praktickým námětem do výuky chemie (a fyziky). Na jeho počátku stojí otázka podmínek hoření (především přítomnost kyslíku) a z ní vycházející předpoklad, kdy zhasne svíčka (když už není kyslík). Návod na tuto aktivitu předpokládá vybavení čidlem plynného kyslíku, dále běžným laboratorním vybavením. Žáci prostřednictvím potvrzujícího bádání si zpřesní své představy o hoření.
Jakkoli se názory na cíl přírodovědného vzdělávání liší, existuje mezi nimi několik průniků. Nejkomplexnějším z nich je stanovení cíle prostřednictvím rozvoje přírodovědné gramotnosti žáků (např. Holbrook & Rannikmae, 2007). Její pojetí mimo důraz na oborové znalosti obsahuje i experimentální složku (viz Faltýn, Němčíková, Zelendová, 2011; Blažek & Příhodová, 2016). Tu lze dostatečně rozvíjet pouze experimentální činností.
Klasické laboratorní úlohy typu „sledování kuchařek“ však v tomto smyslu selhávají (van den Berg, 2013). Kýžený efekt experimentů spočívá v nutnosti identifikovat problém, stanovit předpoklad, navrhnout způsoby jeho ověření, vyhodnotit výsledky a případně upravit původní předpoklad (viz např. Beneš, 1999). Žákům, kteří nejsou v tomto procesu zběhlí, je vhodné poskytnout vhodnou míru podpory, tzv. lešení (z angl. scaffolding). V tomto případě se na základoškolské úrovni jedná především o podporu žáků při formulování předpokladu a směrování postupu jeho ověřování (viz Banchi & Bell, 2008). Podstatné ovšem je, aby ústředním aktérem celé činnosti zůstal žák a ústřední aktivitou jeho přemýšlení nad daným problémem, kategorizování a upevňování poznatků a nácvik dovedností.
V tomto ohledu je podstatné, aby se na cestě žákovského poznávání vyskytovalo co nejméně abstrakcí a netransparentních zkratek vedoucích k tzv. utajenému poznávání (Slavík, Janík, Najvar, Švecová, & Minaříková, 2011). Proto je zcela zásadní na začátku „badatelské dráhy žáků“ zařazovat takové experimenty, ve kterých je zcela jasný a poutavý výsledek, zároveň ve kterých jsou využity žákům známé látky. Vhodné jsou výrazné změny barvy, reakce spojené s hořením apod.
Využití indikátorů a dalších činidel (např. Fehlingova) je v tomto ohledu méně vhodné, jelikož k výsledku žáci docházejí až poté, co „uvěří chování kouzelné látky“. Protože v raném stadiu výuky neexistuje dostatečně přesný a zároveň jednoduchý způsob, jak chování roztoku činidla vysvětlit, žákům nezbývá než uvěřit. To vážným způsobem omezuje jejich autonomii při bádání. Výraznou pomocí mohou být i různé senzory umožňující sledování požadovaných veličin. Důležité je však zajistit, aby žákům byla jasná jejich funkce, přesvědčili se o pravdivosti měřených hodnot. V opačném případě senzory fungují jako blackbox (černá skříňka, jejíž funkce není dostatečně jasná) a staví další překážky mezi žáka a jeho poznání.
Archivní diskuze převzatá z rvp.cz. Přidávání nových komentářů není k dispozici.
Jan Maršák2. 12. 2018
"Výraznou pomocí mohou být i různé senzory umožňující sledování požadovaných veličin. Důležité je však zajistit, aby žákům byla jasná jejich funkce, přesvědčili se o pravdivosti měřených hodnot." Jak ale žákům základní školy vysvětlíme funkci senzorů kyslíku či oxidu uhličitého? Tato čidla pracují na různých fyzikálních principech a pro objasnění těchto principů nebudou mít žáci základní školy zřejmě dostatek vědomostí. Nehledě na to, že v čidlech je zabudována vždy speciální elektronika, jejíž fyzikální podstatu žákům základní školy asi též nebude možné objasnit. Vyžadovalo by to totiž fyzikální znalosti, které žáci základní školy nemají a tudíž by jen stěží fyzikální podstatu fungování přístroje pochopili. Musíme se tudíž smířit s tím, že pro žáka budou uvedené senzory do jisté míry vždy černou skříňkou. Ale to je běžné i ve vědeckém výzkumu: vědec též nezná podrobně funkci všech přístrojů, které ve své práci používá a musí se spolehnout, zkratkovitě řečeno, na práci jiných kolegů. A toto bychom měli mít na mysli i při tzv. badatelských hodinách ve výuce přírodních věd.
U badatelských aktivit je žádoucí, aby jedinou takovou překážkou byl dostatečně poutavý problém (např. neočekávaný proces nebo chování látek, záhada apod.). V případě představ žáků o hoření – ústředním tématu tohoto příspěvku – je úvodní motivací jednoduchý sled otázek. Žáci pak při jejich zodpovídání postupují samostatně. Role učitele je jen průvodcovská, kontrolní, případně poradní.
Teoretická východiska k tématu
Problematika hoření je v jedné z nejvíce užívaných učebnic (Beneš, Pumpr, & Banýr, 1993) diskutována v kapitole Životodárný plyn (s. 40, 41). V tématu jsou zaváděny pojmy plamen, teplota vznícení, oheň, požár. Jsou zde uváděny postupy hašení (především CO2). Spojení s kyslíkem je zde uváděno letmo. Obdobně je tomu i v případě další sady učebnice (Škoda & Doulík, 2006).
S tématem je úzce spjat pokus, který se objevuje v různých variantách jednak v učebnicích chemie, jednak námětech na internetu. Typicky je přiklopena hořící svíčka, čímž se demonstruje potřeba konkrétní složky vzduchu – např.: „K hoření svíčky je potřeba kyslík. Čím větší objem vzduchu byl v kádince, tím více tam bylo i kyslíku a svíčka déle hořela. Zbývající složka plynu již hoření neumožňovala, naopak plamen udusila. Touto složkou je dusík“ („Vzduch“, 2015). Někteří autoři však postupují dále a pokus provádějí ve variantě na vodě, kdy svíčku postavenou na korku na hladině přikryjí kádinkou. Plamen uhasne a hladina v kádince otočené dnem vzhůru je výše. Při použití kalibrované kádinky (nebo válce) autoři vyvozují objem kyslíku v atmosféře – např.: „Po přiklopení hořící svíčky válcovou skleničkou se kyslík spotřebuje a zbývají složky vzduchu, které jsou nehořlavé (dusík, vzácné plyny). Svíčka zhasne. Vzniká podtlak, a proto se do válce nasaje voda. Kyslík, který se při hoření spotřeboval, je ve vzduchu obsažen v objemu 21%, což je přibližně pětina. Proto se ‚uvolněný objem‘ po spotřebovaném kyslíku zaplní vodou.“ („Pokus č. 1 – Důkaz kyslíku ve vzduchu“, 2012).
Tato interpretace, bez ohledu na domnělou jednoduchost a transparentnost, pro svou chybnost nabízí vhodný prostor pro bádání.
Popis badatelské aktivity
Ověřeným postupem je nejprve provedení výše uvedeného postupu. Učitel nebo žáci připraví nádobu s vodou (ideálně skleněnou vanu), čajovou svíčku umístí na kus korku nebo polystyrenu na hladině vody. Svíčku zapálí a přikryjí kádinkou nebo válcem. Pro lepší názornost je možné vodu obarvit např. potravinářským barvivem, viz výše citovaný návod („Pokus č. 1 – Důkaz kyslíku ve vzduchu“, 2012).
Učitel pak otázkami směruje přemýšlení žáků. Například: Co jste pozorovali? Proč svíčka zhasla? Co dalšího jste pozorovali? a pod. Předpokladem je, že jedna z odpovědí bude dobu zhasnutí svíčky podmiňovat spotřebováním kyslíku v kádince/válci.
Následuje důraz na přepočet podílu kyslíku ve vzduchu. Žáci určí cca 20% objem nasáté kapaliny do přiklápěné kádinky/válce. Učitel pak vede diskusi směrem k mechanice plynů. Zásadní myšlenkou je zde rozpínání plynu při jeho ohřívání. Žáci dotykem dna přiklápěné kádinky ověří, že ohřátí vzduchu v ní je významné. Nasátí vody do kádinky zdůvodněné pouhým spotřebováním kyslíku je tak zneplatněno – ohřátý plyn zvýšil svůj objem, tudíž by kyslíku ve vzduchu muselo být víc.
Dalším možným krokem je vedení pozornosti žáků na vodní páru na stěně kádinky/válce. Voda coby další složka vzduchu zkondenzovala na stěnách, tj. kyslíku by mělo být opět logicky víc.
Toto neočekávané zjištění je motivací pro další pokus. Žáci z dosavadních závěrů mohou teoreticky vyvodit dvě hypotézy: 1. kyslíku ve vzduchu je víc než uváděných 21 %, 2. kyslík neshořel všechen.
Zvláště druhá hypotéza je dle zkušeností s touto aktivitou pro žáky méně pravděpodobná, jelikož si spojují kyslík s hořením, zhasnutí plamene pak nepřítomností kyslíku.
Odpověď tak může přinést pouze měření podílu kyslíku v nádobě v průběhu hoření. Žáci mají za úkol sestavit aparaturu tak, aby svíčka nepoškodila senzor pro měření kyslíku, tj. zvolit vhodnou velikost nádob, zajistit, aby svíčka plavala na hladině, nepřibližovala se k senzoru a nepoškodila jej. Samotné měření pak odhalí nečekaný výsledek. Svíčka zhasne, přestože je v nádobě ještě cca 15 % kyslíku. Žáci v roli badatelů tento výsledek musí pokládat za chybný a opakovat měření. Výsledky se však neliší.
V tomto bodě může aktivita končit. Závěrem pro žáky je, že nejen teplota a přístup kyslíku hrají roli při hoření plamene. Tím tedy dochází k úpravě poměrně typické miskoncepce žáků. Aktivita nabízí další možnosti bádání, jako jsou ověřování vlivu koncentrace kyslíku na uhasnutí plamene (změna pozice svíčky v nádobě, použití senzoru CO2 apod.). Přesnější vysvětlení pak zahrnuje úpravu představ žáků o hoření jako reakci, k níž je jako v případě dalších chemických reakcí zapotřebí dostatečné koncentrace výchozích látek.
Závěr
Předložený návrh aktivity je veden cílem autora poukázat na zásadní prvky edukačního experimentu. Upozadění role učitele je v tomto případě docíleno silnou motivací, jíž je překvapivé zjištění o podmínkách hoření. Neočekávaný závěr měření i teoreticky vyvozená chybnost interpretace pokusu dokazujícího objem kyslíku ve vzduchu vedou žáky k dalšímu bádání.
Využité pomůcky jsou volně dostupné, jedinou zásadní pomůckou je senzor kyslíku. S rostoucí cenovou dostupností je tak možné počítat s vybavením škol těmito pomůckami. Zamezením efektu blackboxu v podobě senzoru kyslíku je možné nechat žáky sledovat hodnotu měřeného kyslíku ve třídě a např. u otevřeného okna. Srovnání může nabídnout i vložení senzoru do sáčku, do kterého žák vydýchne vzduch z plic. Hodnoty jasně potvrdí, že senzor ukazuje správně. Měření v přiklopené kádince je proto spolehlivé.
Přidanou hodnotou experimentu vzhledem k interdisciplinárním přesahům je rozvíjení digitální gramotnosti žáků nejen prostřednictvím práce se senozry, ale i interpretací tabelizovaných nebo v grafu zobrazovaných hodnot.
Další možností rozšíření vhodnou spíše pro středoškolské žáky je zaměření pozornosti na oxid uhličitý. Žákům je znám jako produkt hoření, v učebnicích je uváděný jako hasivo. Pohlcování CO2 do vody je ovšem dalším procesem, který původní experiment dokazující objem kyslíku ve vzduchu ignoruje. Prostřednictvím pH metru je možné zjišťovat snižující se pH vody, počítat maximální množství pohlceného CO2 a přispět tak k přesnějšímu popisu sledované reakce hoření svíčky přiklopené kádinkou.
Banchi, H., & Bell, R. (2008). The Many Levels of Inquiry. Science and Children, 46(2), 26–29.
Beneš, P. (1999). Reálné modelové experimenty ve výuce chemie. Praha: UK PedF.
Beneš, P., Pumpr, V., & Banýr, J. (1993). Základy chemie 1 pro 8. ročník základní školy a nižší ročníky víceletých gymnázií. Praha: Fortuna.
Blažek, R., & Příhodová, S. (2016). Mezinárodní šetření PISA 2015: národní zpráva: přírodovědná gramotnost: Česká školní inspekce.
Holbrook, J., & Rannikmae, M. (2007). The nature of science education for enhancing scientific literacy. International Journal of Science Education, 29(11), 1347-1362.
Slavík, J., Janík, T., Najvar, P., Švecová, Z., & Minaříková, E. (2011). Kurikulární reforma na gymnáziích: od virtuálních hospitací k videostudiím. Smíšený design v pedagogickém výzkumu: sborník příspěvků (19), 31–38.
Škoda, J., & Doulík, P. (2006). Chemie 8: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň: Nakladatelství Fraus.
van den Berg, E. (2013). The PCK of Laboratory Teaching: Turning Manipulation of Equipment into Manipulation of Ideas. Scientia in Educatione, 4(2), 74–92.
