بررسی جایگاه انرژی خورشیدی در آموزش رسمی مقطع متوسطه

مقدمه

نیاز جهان به انرژی به دلیل رشد طبیعی و استفاده از فناوری‌های جدید در ابعاد وسیعی افزایش یافته است. منابع سوخت‌های فسیلی (ذغال‌سنگ، نفت و گاز) روزی تمام خواهد شد. به علاوه سوزاندن سوخت‌های فسیلی باعث افزایش نگرانی‌های جهانی در مورد گرم شدن زمین و آلودگی هوا شده است. اگرچه با گذر زمان وابستگی بشر به منابع انرژی فسیلی به منظور تولید انرژی افزایش یافته، اما به دلیل محدود و پایان‌پذیر بودن این منابع و آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از آن، یافتن منبع انرژی جایگزین ضرورت پیدا کرده است. انرژی خورشیدی یکی از این منابع جایگزین انرژی محسوب می‌شود (1).

نقش علم، فناوری و ریاضی در بهتر کردن کیفیت زندگی و تشکیل یک جامعه پیشرفته انکارناپذیر است. بدون علم فناوری به وجود نمی‌آید و بدون فناوری جامعه‌ای پیشرفته تشکیل نخواهد شد. کشورهای مختلف به دنبال سیاست‌هایی هستند که به تشویق نسل جوان به فراگیری دانش و فناوری کمک کند. زیرا دادن آموزش مناسب علوم به شاگردان بهترین راه برای داشتن شهروندانی مسئولیت‌پذیر و ساختن اقتصادی قدرتمند است (2). مدارس، مؤسسات اجتماعی مهمی هستند که نسل‌های آینده را برای زندگی اجتماعی آماده می‌کنند. دانش در مدارس معمولاً به‌صورت برنامه درسی رسمی شامل موضوع‌های خاص و در طول تقویم آموزشی مدارس به دانش‌آموزان منتقل می‌شود (4).

در حال حاضر یکی از مهم‌ترین مشکلات جامعه بشری، آلودگی زیست‌محیطی حاصل از سوزاندن سوخت‌های فسیلی، محدود بودن منابع سوخت‌های فسیلی و پیدا کردن یک منبع انرژی جایگزین مناسب است که محدودیت‌های ذکر شده برای سوخت‌های فسیلی را نداشته باشد. سواد علمی در دنیای امروز به معنی توانایی یافتن راه‌حل برای حل مسائل و مشکلات است. مطالعات دانشمندان خبر از آینده‌ای روشن برای به‌کارگیری منابع انرژی تجدیدپذیر می‌دهد. برای خلق چنین آینده روشنی، آموزش در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر باید با سرعت و کیفیت بالا و به گونه‌ای مؤثر برای نسل آینده انجام پذیرد. در این راستا آموزش‌وپرورش به‌عنوان ابزار نیرومند تحولات اجتماعی نقش مهمی در توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر دارد (3).

هدف ویژه آموزش انرژی‌های تجدیدپذیر افزایش آگاهی دانش‌آموزان در مورد طبیعت و عوامل ایجادکننده بحران انرژی کنونی، دادن آگاهی به دانش‌آموزان در مورد انواع مختلف انرژی‌های تجدیدپذیر، ایجاد توانایی مطرح کردن راهبردهای جایگزین حل بحران انرژی در آینده و... است.

ایران و فناوری منابع انرژی تجدیدپذیر به‌ ویژه انرژی خورشیدی

انرژی‌ های تجدیدپذیر در ایران و جهان موضوع جدیدی است. مراحل توسعه و پیشرفت فناوری ‌های مختلف انرژی ‌های تجدیدپذیر نیز متفاوت است. برخی همچون انرژی باد و فوتو ولتایی به تکامل رسیده‌ اند و برخی مانند امواج و نیروگاه ‌های گرمایی خورشیدی در مراحل پایین‌تری از پیشرفت قرار دارند (6). با جدی شدن طرح هدفمندی یارانه‌ها در ایران که به دنبال بحران‌های تأمین برق و سوخت مطرح شد توجه به بهره‌برداری بیشتر از منابع جایگزین انرژی و ترویج مؤثرتر کاربرد آن‌ها در جامعه بیش از پیش پررنگ گردید (7). طی سال 1388 در ایران 53/141 مگاوات انرژی تجدیدپذیر جهت تولید برق به‌کار گرفته شده است و ظرفیت نیروگاه‌های آبی کوچک، بادی، خورشیدی و بیوگاز به ترتیب برابر 93/48، 6/90، 1/0 و 9/1 مگاوات بوده است (8).

اکنون طبق آخرین آمار منتشر شده توسط وزارت نیرو در سال 1388 در مجموع حدود 72 هزار کیلووات ساعت برق خورشیدی توسط پروژه‌های 30 کیلووات فوتوولتایی، نیروگاه‌های دربید یزد، سر کویر سمنان و خورشیدی تبریز در کشور تولید شده است (8).

سلول ‌های خورشیدی در ایران

ایران یکی از کشورهای پرآفتاب دنیاست و در اکثر نقاط ایران تعداد روزهای ابری پشت سر هم کمتر از 5 روز در سال و شفافیت هوا بیش از 60 درصد است. بنابراین نور خورشید با کیفیت بیشتری به سطح زمین می‌تابد. بخشی از کشور نیز کوهستانی و ارتفاع اکثر نقاط از سطح دریا بیش از 1000 متر است. بدیهی است که در نقاط مرتفع میزان دریافت تابش خورشید بیشتر است که همگی این موارد گویای موقعیت مطلوب ایران در برخورداری از انرژی تابشی خورشید محسوب می‌شود (9). با نگاهی به اطلس جهانی انرژی خورشیدی که در‌‌ آن میزان تابش دریافتی از خورشید برای کشورهای مختلف مشخص شده است می‌توان دریافت که ایران نسبت به بسیاری از کشورها (نظیر: ژاپن، آلمان، ایتالیا و اسپانیا) پتانسیل بیشتری در بهره‌گیری از انرژی خورشیدی دارد. با وجود اینکه ایران روی کمربند تابش خورشیدی دنیا قرار گرفته است ولی اقدامات چندانی در جهت بهره بردن از این فرصت انجام نشده است (10).

در سال 1368 بعد از به ثبت رسیدن شرکت تولید فیبر نوری، شرکت مخابرات ایران برای استفاده از سامانه‌های برق خورشیدی امکان ساخت مدول خورشیدی را مورد بررسی قرار داد. طرح توجیهی، فنی و اقتصادی آن در سال 1369 به تأیید مسئولان وقت وزارت پست، تلگراف و تلفن رسید. مسئولیت اجرای این طرح بر عهده شرکت فیبر نوری و برق خورشیدی قرار گرفت (11). طرح برق‌رسانی روستایی در سال 1385 ابتدا از استان قزوین آغاز و سپس در استان‌های گیلان، زنجان، بوشهر، یزد و کردستان اجرا شد. در این پروژه 58 سامانه فوتوولتایی مجموعاً با ظرفیت 386 کیلووات نصب شده است که جمعاً 358 خانوار روستایی فاقد برق را از این نعمت بهره‌مند ساخته است. طراحی، نصب و راه‌اندازی نیروگاه فوتوولتایی با ظرفیت اسمی 97 کیلووات در منطقه سر کویر سمنان، نیروگاه فوتوولتایی با ظرفیت اسمی 30 کیلووات متصل به شبکه در طالقان، نیروگاه فوتوولتایی با ظرفیت اسمی 5 کیلووات در منطقه دربید یزد، طراحی، ساخت و نصب انواع سامانه‌های برق خورشیدی نظیر چراغ‌های خیابانی فوتوولتایی، پمپ آب‌کش برای مصارف کشاورزی، تجهیز یک منطقه مرزی، روشنایی تونل به کمک سامانه‌های فوتوولتایی و... از جمله فعالیت‌هایی است که در زمینه بهره جستن از انرژی خورشیدی در کشور ایران انجام گرفته است (12).

آموزش سلول ‌های خورشیدی در جهان

آموزش افراد به ویژه در جوامع در حال توسعه، در تحکیم ارزش‌های خاص آن جامعه، انتقال دانش و توسعه و افزایش توان تولیدی آن جامعه نقش کلیدی دارد. از این‌رو برای دستیابی به جهانی امن، سالم و پایدار آموزش نسل‌های آینده بسیار حائز اهمیت است (13).

 امروزه در جهان نیاز به انرژی در ابعاد مختلف به دلیل افزایش جمعیت و استفاده از فناوری‌های جدید در حال افزایش است. منابع سوخت‌های فسیلی علاوه بر محدود بودن استفاده از آن‌ها منجر به نگرانی‌های زیست‌محیطی در جهان شده‌اند به همین دلیل پیدا کردن یک منبع انرژی جایگزین که هیچ‌کدام از محدودیت‌ها ذکر شده برای منابع سوخت‌های فسیلی را نداشته باشد بسیار حائز اهمیت است. انرژی خورشیدی، انرژی تابشی خورشید است که می‌تواند با استفاده از سلول فوتوولتایی به انرژی الکتریکی تبدیل شود. سلول‌های خورشیدی از لایه‌های بسیار نازک سیلیسیم ساخته شده‌اند که نور خورشید را جذب و به الکتریسیته تبدیل می‌کند (1).

فعالیت‌ های آموزشی انجام شده در جهان

بوکلی¹ و کواتِز² مقاله‌ای تحت عنوان «طرح اروپایی آموزش سلول‌های فوتوولتایی» در سال 1994 منتشر کردند که در آن به انرژی فوتوولتایی توجه ویژه‌ای شده است. هدف از این پژوهش ایجاد مدل مناسب آموزش سلول‌های فوتوولتایی برای دانش‌آموزان 16-18 ساله بود (14). 

در سال2010 در کشور رومانی گارابت³ و همکارانش مقاله‌ای را تحت عنوان «رویکرد آموزش سلول فوتوولتایی در دبیرستان» منتشر کردند که در آن درباره چگونگی تدریس این سلول‌ها برای دانش‌آموزانی که دارای دست‌کم دانش زمینه الکترونیک و نیمرساناها هستند مباحث و راهکارهایی مطرح شده بود (15). همچنین در سال 2011 نیز در این کشور بوستان⁴، دینا⁵ و همکارانشان مقاله‌ای با عنوان «آموزش و یادگیری اثر فوتوولتایی در دبیرستان» منتشر کردند که در آن بر ساخت سلول‌های خورشیدی بر پایه سیلیسیم تک‌بلوری در شرایط آزمایشگاهی با ابزارهای در دسترس در دبیرستان تأکید شده بود، و همچنین طرح درسی را مبنی بر اینکه چگونه یک معلم می‌تواند آزمایش‌های فوتوولتایی را در آموزش دانش‌آموزان به‌کار گیرد، ارائه دادند (16).

اگرچه در چند سال اخیر شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه ساخت انواع سلول‌های خورشیدی بوده‌ایم، با این حال به رغم توجه ویژه بسیاری از کشورهای پیشرفته جهان به مبحث آموزش، هنوز هم حتی در این کشورها پژوهش‌های چندانی در زمینه آموزش سلول‌های خورشیدی انجام نشده است. بررسی‌‌های محقق در کتاب‌های درسی شیمی کشور سوئد و ایالت واشنگتن آمریکا نشان داد که در هیچ‌کدام از این کشورها به آموزش سلول‌های خورشیدی پرداخته نشده بود.

فعالیت‌ های آموزشی انجام شده در ایران

حجم زیادی از مطالب و مقاله‌های مربوط به سلول‌های خورشیدی موجود است که در اکثر این مقاله‌ها بحث‌های تخصصی مرتبط با ساخت سلول‌های خورشیدی مطرح شده و عملکرد بسیار ضعیفی در زمینه ترویج ایده‌ها در افکار عموم مردم انجام شده است و تقریباً هیچ مقاله و مطلبی به زبان فارسی در مورد آموزش سلول‌های خورشیدی وجود ندارد. آموزش‌وپرورش و سازمان تألیف کتاب‌های درسی نیز در این زمینه بسیار ضعیف عمل کرده‌اند و تنها در علوم سال هفتم و فیزیک سال اول دبیرستان محتوای بسیار مختصری در زمینه سلول‌های خورشیدی مطرح شده است.

با توجه به نیاز روزافزون بشریت به انرژی و محدودیت‌ها و مشکلات ناشی از منابع سوخت‌های فسیلی و لزوم آگاهی بخشی به عموم مردم جامعه در مورد سلول‌های خورشیدی و چگونگی کارکرد و مزایای استفاده از این سلول‌ها، عدم وجود یک محتوای آموزشی مناسب در این زمینه در کتاب‌های شیمی یا فیزیک دوره دبیرستان به شدت احساس می‌شود.

با توجه به تغییر نظام آموزشی و به دنبال آن تغییر کتاب‌های درسی و از آنجایی که رویکرد علوم هفتم نشان از شروعی نو در آموزش انرژی‌های تجدیدپذیر و به ویژه انرژی خورشیدی است و چون تا سال چهارم متوسطه تقریباً تمامی پیش‌نیازهای لازم جهت آموزش سلول‌های خورشیدی به دانش‌آموزان ارائه می‌شود لذا امید است که در کتاب‌های درسی شیمی یا فیزیک به آموزش این موضوع بیشتر پرداخته شود.

اهداف آموزش سلول ‌های خورشیدی

آموزش سلول‌های خورشیدی به‌عنوان زیرشاخه‌ای از انرژی‌های تجدیدپذیر می‌تواند تمامی مردم جهان را مخاطب خود قرار دهد. این آموزش که می‌تواند در مدارس و دانشگاه‌ها صورت گیرد به دو مقوله تقسیم‌بندی می‌شود. اولین مقوله به گسترش پیشه‌ها و مشاغل مرتبط با این موضوع متمرکز می‌شود و دومی آموزش جامع و پیوسته موضوع سلول‌های خورشیدی از مقطع ابتدایی تا دانشگاه را در برمی‌گیرد که از اهداف ویژه این برنامه‌های آموزشی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد (3).

1. توجه دانش‌آموزان را به طبیعت جلب و آن‌ها را از دلایل بحران انرژی آگاه کنند.

2. در مورد منابع مختلف انرژی (تجدیدپذیر و ناپذیر)، پتانسیل‌ها و فناوری‌های موجود در به‌کارگیری و کنترل آ‌ن‌ها؛ آگاهی‌های لازم را به دانش‌آموزان و دانشجویان بدهند.

3. افزایش مسئولیت‌پذیری دانش‌آموزان درباره نحوه استفاده از منابع مختلف انرژی

4. ایجاد نگرش مثبت در مورد ابزارهای تولید انرژی از منابع انرژی تجدیدپذیر به ویژه سلول‌های خورشیدی.

5. ایجاد خلاقیت در دانش‌آموزان و دانشجویان به منظور ارائه راه‌حل‌های کارآمد برای حل بحران‌های انرژی.

موانع آموزش سلول ‌های خورشیدی

اگرچه دلایل منطقی بسیاری برای گنجاندن مباحث مربوط به سلول‌های خورشیدی در برنامه آموزش مدارس وجود دارد اما موانع و مشکلاتی نیز بر سر راه این نوع آموزش قرار دارد که گزیده‌ای از این موارد به قرار زیر است:

1. عدم آگاهی کافی معلمان از کارکرد سلول‌های خورشیدی: مشکل معلمان نداشتن آگاهی کافی از یک معضل جهانی است که برای رفع این مشکل برنامه‌های آموزشی ضمن‌خدمت معلمان ضروری است.

2. کمبود منابع و مواد کمک‌آموزشی در مدارس، از قبیل محتوای درسی مناسب، تجهیزات و امکانات آزمایشگاهی، فیلم‌های آموزشی مناسب و... یکی دیگر از موانع بر سر راه  آموزش این موضوع به شمار می‌آید.

3. نامناسب بودن روش‌های تدریس مورد استفاده معلمان: روش تدریس نامناسب معلمان که ریشه در امکانات ضعیف آزمایشگاهی، کارگاهی مدارس و متناسب نبودن حجم محتوای درسی با ساعات اختصاص یافته دارد که همین امر معلمان را به استفاده از روش تدریس سخنرانی سوق می‌دهد.

4. حجم زیاد مطالب درسی: گنجاندن مطالب جدید در دوره‌های تحصیلی مدارس که از نظر عناوین و مطالب بسیار زیاد هستند یک معضل همیشگی است و دانش‌آموزان در حجم زیادی از مطالب غرق شده‌اند.

نتیجه ‌گیری

چندی است که دانشمندان با پی بردن به این مطلب که منابع سوخت‌های فسیلی محدود است، زنگ خطر پایان یافتن این دسته از سوخت‌ها را به صدا درآورده‌اند، و از طرفی مشکلات زیست‌محیطی فراوانی که بهره‌گیری از این سوخت‌ها دارد آدمی را در تلاش برای دستیابی و استفاده از منابع انرژی جایگزین تشویق می‌کند؛ یکی از این منابع انرژی، انرژی خورشیدی است که یکی از راه‌های بهره جستن از این انرژی استفاده از سلول‌های خورشیدی است. اساس کار سلول‌های خورشیدی پدیده فوتوولتایی است. براساس دایرة ‌المعارف بریتانیکا اولین سلول خورشید از اتصال لایه‌های طلا با پوشش سلنیم تشکیل شده بود که در سال 1883 توسط چارلز فریتز ساخته شد و با گذر زمان و تحقیقات مستمر دانشمندان این عرصه، نسل‌های مختلف سلول‌های خورشیدی به بازار عرضه شدند که در حال حاضر نیز پژوهشگران به دنبال تولید سلول‌های خورشیدی هستند که هم کارایی بالاتری داشته باشد و هم فرایندهای تولیدی مربوط به آن از نظر اقتصادی مقرون به‌صرفه باشد. از آنجایی که پایه و اساس شروع هر تحولی در دنیا بر آموزش استوار است و دانستن مستلزم شروع هر تحولی است لذا این مورد به‌خصوص نیز استثنا نیست و باید طلایه‌داران آموزش به‌صورت جدی به ورود مباحث مربوط به سلول‌های خورشید در کتاب‌های درسی بیندیشند. با در نظر گرفتن مزایای زیست‌محیطی استفاده از سلول‌های خورشیدی و همچنین وسعت زیاد کویرهای موجود در ایران و همچنین با در نظر گرفتن این نکته که تا حدود زیادی پیش‌نیازهای مربوط به این مباحث تا سال چهارم متوسطه مطرح می‌شود لذا لزوم پرداختن به مباحث مربوط به ساخت و داشت سلول‌های خورشیدی در نظام آموزشی کشور، بیش از گذشته احساس می‌شود.