Основы совремегных нанотехналогий на уроках физики

Введение

Актуальность выбранной нами темы напрямую связана с технологическими укладами – комплексами освоенных революционных технологий, инноваций, изобретений, лежащих в основе количественного и качественного скачка в развитии производительных сил общества. На сегодняшний день Россия находится на пороге VI технологического уклада, характеризующегося нацеленностью на развитие и применение нанотехнологий.
Согласно теории Кондратьева Н.Д., при сохранении нынешних темпов технико-экономического развития, VI технологический уклад вступил в фазу распространения в России в 2010-2020 годах, вступит в фазу зрелости – в 2040-е годы, а в 2020-2025 годах произойдет новая научно-техническая и технологическая революция [22, стр. 3]. Быков А.А. считает, что приблизиться к научно-техническому прорыву будет возможно, если науке придать статус самостоятельной базисной отрасли экономики, а «центр тяжести» развития науки переместить в стены ВУЗов [7, стр. 114]. Таким образом, в России возникла острая потребность в подготовке специалистов новой формации, готовых к трудновыполнимой без базовых знаний работе в области нанотехнологий. При этом, согласно концентрическому принципу обучения, некоторые основы нанотехнологий следует давать уже в школе, в рамках физического образования.
Глава 1. Основы современных нанотехнологий на уроках физики в теоретическом аспекте

1.1. Трактовка понятия «нанотехнологии» в научной литературе

Последнее двадцатилетие ознаменовалось бурным развитием нового направления в науке и технике – нанотехнологий. Предметом изучения нанотехнологий стали наноразмерные объекты порядка 10-9 метра: атомы, молекулы и их ассоциаты, наночастицы, наноматериалы, наноприборы и наноустройства. Возникли новые научные отрасли, такие, как супрамолекулярная химия, нанобиология, наномедицина, наноэлектроника. Лидирующее положение в наноразработках пока принадлежит США, Англии, Германии, Японии. Первые шаги по этому направлению сделаны и в России – в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева в рамках Института Нанотехнологий и Наноматериаллов открыта такая лаборатория под руководством О.Л. Фиговского [43].
Д.А. Косырев и Е.Г. Шиханова отмечают, что в дополнение к «чистой» науке очень важно сформировать общественное мнение в поддержку своего исследования. Ученым необходимо учитывать политические, социальные, культурные перспективы своих исследований, приоритетность финансирования со стороны государства и других институтов. Использование нанотехнологий и наноматериалов в разных областях науки является приоритетным направлением и предполагает оптимизацию и улучшение качества, что, в свою очередь, повлияло на идентификацию людьми данной приставки с высшим знаком качества продукта, чем пользуются маркетологи для увеличения объемов продаж и оказания услуг [23, стр. 167].
В научном сообществе придерживаются мнения, что автором первой нанотехнологии можно считать Ричарда Фейнмана, предложившего еще в 2002 году систему с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. По утверждению автора такие микромеханизмы могут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Однако самим термином в своей работе Р.Ф. Фейнман не оперирует, и как отмечается, делает это целенаправленно [42]. На данный момент работа Р.Ф. Фейнмана считается ретроспективной, и рассматривается лишь при анализе исторического развития нанотехнологий. Первым же, кто использовал термин «нанотехнология» в своей работе, по мнению исследователей, был Норио Танигучи, предложивший понимание технологии, которая стремится реализовать пределы точности обработки деталей и минимальных размеров обработки, тем самым раскрывая феномен применительно к машиностроению [46].
Следует отметить, что со временем определение, предложенное автором, утратило свою актуальность в связи с расширением сфер применения нанонауки. По мнению Н.Н. Сысоева, А.И. Осипова, А.В. Уварова [37, стр. 4], Ю.Д. Третьяковой [39, стр. 15], наиболее корректное и объемное определение термина «нанотехнология» следующее: под нанотехнологией следует понимать область научной деятельности, ориентированную на создание, изучение и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. По нашему мнению, определение «нанотехнологии», как области научной деятельности является чрезмерно широким и не совсем корректным в силу буквального толкования.

1.2. Изучение основ нанотехнологии в системе среднего общего образования в Российской Федерации

Научно-технический прогресс на каждом новом этапе своего революционного развития оказывает судьбоносное действие и на консервативные по своей природе системы, подталкивая их на решительные изменения и преобразования. Одна из таких консервативных систем, как известно, является сфера образования, у которой отчетливо проявляется эффект «усталости» из-за многочисленных как объективных, так и субъективных нововведений и реформ. Действительно, количество учебных предметов, курсов и программ, изучаемых в учебных заведениях, особенно, в школах давно превышает научно-обоснованные нормы, установленные в целях защиты духовно-физического и психологофизиологического развития личности. Тем не менее, насыщенное до предела содержание образования революционными открытиями XX века в области атома и его ядра, электроники и информационной технологии и в XXI веке вынуждено вновь испытать кардинальное изменение под влиянием надвигающейся третьей научно-технической революции, вызванной новым стремительно развивающимся направлением науки – нанотехнологией.
Развитие нанотехнологии сулит человечеству грандиозные перспективы: открывает путь к управляемому синтезу совершенно новых молекулярных структур не из традиционных сырьевых ресурсов, а непосредственно из любых атомов и молекул при помощи искусственного интеллекта; позволяет восстановить пораженные болезнью человеческие органы с использованием вновь воссозданной здоровой ткани; приведет к созданию материалов с совершенно новыми свойствами; стимулирует появление новых открытий в физике, химии, биологии и других областях науки и техники, основы которых, безусловно должны изучаться во всех звеньях системы непрерывного образования. В этой связи, естественно, возникает вопрос: как интегрировать основы нанотехнологии, сулящей человечеству столь грандиозной перспективы, в учебно-воспитательный процесс в условиях предельной насыщенности содержания действующей системы непрерывного образования [39, стр. 23].
Ниязи М.Д., Халилуллах А., Хан З., Садыкова Н.А. дают методические рекомендации по изучению основ нанотехнологии в системе непрерывного образования как отдельного предмета [30, стр. 223]. Методическая система обучения основам конкретной науки наглядно представлена на рисунке 1, где показана структурно-логическая связь между пятью системообразующими элементами учебно-воспитательного процесса.

Для того чтобы создать целостную методическую систему обучения нанотехнологии, как учит история разработки подобной системы обучения научным основам традиционных учебных предметов, необходимо осуществить целый ряд подготовительных научно-методических работ.
Во-первых, следует разработать Концепцию обучения нанотехнологии как востребованного учебного предмета XXI века, которая позволит определить его основные идеи, магистральные направления развития и методологические ориентиры, ведущие к интеграции данного предмета в систему непрерывного образования.
Во-вторых, необходимо определить образовательные стандарты по нанотехнологии, которые позволяют выявить основной круг изучаемых вопросов во всей системе непрерывного образования.
В-третьих, следует разработать учебные программы курсов по нанотехнологии, изучаемых в соответствующих звеньях системы непрерывного образования.
Но уже сейчас, на данном этапе развития системы среднего общего образования в нашей стране, созданы все условия для изучения нанотехнологий: организуется возможность изучения данной темы не всеми детьми, а частью заинтересованных обучающихся в рамках внеурочной деятельности, элективных и факультативных курсов по химии и физике, в частном порядке в образовательных учреждениях организуется проектная деятельность, в ходе которой обучающиеся могут познакомиться с нанотехнологиями на углубленном уровне. При составлении рабочих программ педагогам следует уделить внимание методике преподавания данной темы, поскольку она должна быть адаптирована возрасту обучающихся.
Глава 2. Основы современных нанотехнологий на уроках физики в эмпирическом аспекте

2.1. Анализ учебно-методического комплекта по физике на предмет изучения современных нанотехнологий

Для анализа содержания на предмет использования материала по теме «нанотехнологии» выберем учебно-методический комплект (УМК) по физике О.Ф. Кабардина [19, 20]. Данный УМК предназначен для углубленного изучения физики. Результаты анализа учебников представим в таблице 1.
2.2. Разработка элективного курса для обучающихся 10-11 классов

Представим программу элективного курса «Введение в нанотехнологии» по физике для 10-11 классов средней общеобразовательной школы. Занятия проводятся на основе учебного пособия В.В. Светухина и его коллег [34].
1. Пояснительная записка.
Элективный курс «Введение в нанотехнологии» представляет собой блочную систему, в которую входят обязательные блоки и блоки по выбору учителя. Обязательными начальными блоками являются:
1) квантовые эффекты в нанотехнологиях;
2) наноматериалы и технологии их получения;
3) инструменты нанотехнологий;
4) нанокластеры и квантовые точки;
5) нанотехнологии вокруг нас: реальность и перспективы;
Построение материала рассчитано на опережающее развитие: вводятся термины и понятия, незнакомые учащимся из курса физики, однако понятные на ассоциативном и интуитивном уровнях. В качестве базовых принципов преподавания элективного курса «Введение в нанотехнологии» могут быть рекомендованы следующие:
1) многоуровневость изложения знаний о квантовых эффектах в нанотехнологиях в качестве теоретического обоснования: квантование энергетических уровней, волновые свойства электрона, элементы зонной теории, туннелирование и квантовая яма;
2) структурно-функциональный подход к изучению наноматериалов и наноструктур;
3) междисциплинарный характер всестороннего освещения технологий «снизу-вверх» и «сверху-вниз», предполагающий использование достижений физики, химии электроники и др. наук;
4) определение ближайших и отдаленных перспектив развития нанотехнологий;
5) освещение прикладного значения нанотехнологий для промышленности, медицины, общества в целом.
2. Цели и задачи курса.
Цель элективного курса: дать основные понятия, используемые в области квантовой физики, а так же познакомить с современными достижениями нанотехнологий в области измерений, материаловедения, приборостроения, практических приложений.
К задачам курса можно отнести следующие:
1) формирование у обучающихся представлений об основах квантовых эффектов, широко используемых в нанотехнологиях;
2) формирование у обучающихся общего представления о нанотехнологии как особой отрасли науки и производства;
3) знакомство обучающихся с основными направлениями и методами исследований в области нанотехнологий;
4) формирование представления о практическом значении разрабатываемых нанотехнологий для электроники, оптоэлектроники, компьютерной техники, военного дела и т.д.;
5) знакомство обучающихся с перспективами развития нанотехнологий и пробуждение в них интереса к приложению собственных усилий в области нанотехнологий.
3. Исходный уровень знаний.
Для усвоения содержания элективного курса «Введение в нанотехнологии» необходимо знание ряда вопросов из курса общей физики средней общеобразовательной школы:
1) представление о явлениях интерференции и дифракции света;
2) понимание на качественном уровне явления дисперсии света;
3) общие представления о строении атома и молекулы;
4) знание законов электричества и магнетизма;
5) начальное понимание процессов намагниченности и поляризации на атомном и молекулярном уровнях;
6) знание первого и второго законов термодинамики.
4. Требования к уровню освоения курса.
Учащиеся должны:
1) получить представление:
1. о единстве фундаментальных естественны наук, незавершенности естествознания и перспективах его дальнейшего развития;
2. о квантовых эффектах и нанотехнологиях, обуславливающих уникальные свойства наноматериалов;
3. о специфике нанообъектов и нанотехнологий;
4. о возможных сферах применения нанотехнологий в науке и производстве;
2) знать:
1. квантовые эффекты, такие как туннелирование, квантование, квантово-размерный эффект;
2. основные методы измерений в нанотехнологиях;
3. основные методы создания наноматериалов;
4. основные понятия, такие как «гетероструктура», «наночастица», «нанотехнология», «литография», «эпитаксия» и др.;
5. направления развития фундаментальных исследований и прикладных разработок в области нанотехнологий;
6. основные достижения нанотехнологий, их значение для промышленного производства и общества в целом;
7. Перспективы развития нанотехнологий.
Заключение

Таким образом, в настоящем исследовании нами в теоретическом и эмпирическом аспектах проанализированы возможности уроков физики по изучению основ нанотехнологий в общеобразовательной школе.
В теоертической главе настоящего исследования нами трактовано понятие «нанотехнологии» согласно научным представлениям. Представлены ретроспективные и более современные определения «нанотехнологий». В рамках данной работы опираемся на определение по ГОСТ ISO/TS 80004-1-2017. Кроме того нами описано изучение основ нанотехнологии в системе среднего общего образования в Российской Федерации. Перечислены перспективы развития нанотехнологий, методическая система обучения нанотехнологиям. Нами разработана система требований к созданию целостной методической системы обучения нанотехнологии как отдельной учебной дисциплине.